JP4069893B2 - Thermoelectric generator - Google Patents

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Description

本発明は、熱電素子によってエンジンの排気ガスの持つ熱エネルギーを電気エネルギーとして回収する熱電発電装置に関するものである。   The present invention relates to a thermoelectric generator that recovers thermal energy of engine exhaust gas as electric energy by a thermoelectric element.

従来の熱電発電装置として、例えば特許文献1に示されるものが知られている。これは、エンジンの排気ガスを高温側熱源とし、外気を低温側熱源として熱電素子によって発電を行うものであり、ここでは、エンジンの排気管から複数の枝管を介してバイパスするバイパス通路を設け、このバイパス通路に熱電素子を当接させている。そして、各枝管を開閉する電磁弁を設け、排気ガス温度が所定値以上となった時に、制御部によって各電磁弁を個別に閉じてバイパス通路内の排気ガス流量を制御することで、熱電素子の高温側温度を耐熱温度以下の一定温度に保持するようにしている。   As a conventional thermoelectric generator, for example, the one shown in Patent Document 1 is known. In this system, power is generated by a thermoelectric element using engine exhaust gas as a high-temperature side heat source and outside air as a low-temperature side heat source. Here, a bypass passage is provided that bypasses the engine exhaust pipe through a plurality of branch pipes. The thermoelectric element is brought into contact with the bypass passage. Then, an electromagnetic valve that opens and closes each branch pipe is provided, and when the exhaust gas temperature becomes a predetermined value or more, the electromagnetic valve is individually closed by the control unit to control the exhaust gas flow rate in the bypass passage. The high temperature side temperature of the element is kept at a constant temperature below the heat resistance temperature.

また、特許文献2に示されるように、低温側熱源としてエンジン冷却用の冷却水を用いたものが知られており、安定した低温側熱源を容易に確保するようにしている。
実開昭63−162916号公報 特開2000−297699号公報
Further, as shown in Patent Document 2, a low temperature side heat source using cooling water for engine cooling is known, and a stable low temperature side heat source is easily secured.
Japanese Utility Model Publication No. 63-162916 JP 2000-297699 A

しかしながら、上記特許文献1の技術においては、所定値より低い排気ガス温度領域では、その時の排気ガス温度と外気温度との成り行きによって発電量が決定されることになり、積極的に有効な発電量を得ようとする思想は無い。   However, in the technique of Patent Document 1, in the exhaust gas temperature region lower than a predetermined value, the power generation amount is determined by the course of the exhaust gas temperature and the outside air temperature at that time. There is no idea to get.

また、特許文献2の技術においては、排気ガスの熱が冷却水に吸熱されることから、発電量によっては冷却水の温度上昇が大きくなり、エンジンのオーバーヒートに繋がることが考えられる。これを防止するためには、ラジエータの大型化の考慮が必要となる。   In the technique of Patent Document 2, since the heat of the exhaust gas is absorbed by the cooling water, the temperature rise of the cooling water is increased depending on the amount of power generation, which may lead to engine overheating. In order to prevent this, it is necessary to consider the enlargement of the radiator.

本発明の目的は、上記問題に鑑み、エンジン冷却水を低温側熱源として使用するものにおいて、ラジエータの大型化を必要とせずに、エンジンの作動負荷に応じて最大限の発電量を確保可能とする熱電発電装置を提供することにある。   In view of the above problems, the object of the present invention is to use engine cooling water as a low-temperature heat source, and to ensure the maximum amount of power generation according to the operating load of the engine without requiring an increase in the size of the radiator. An object of the present invention is to provide a thermoelectric generator.

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。   In order to achieve the above object, the present invention employs the following technical means.

請求項1に記載の発明では、高温側熱源をエンジン(10)からの排気ガスとし、低温側熱源をラジエータ(21)によって冷却されるエンジン(10)の冷却水とし、熱電素子(111)によって発電を行う熱電発電装置において、エンジン(10)作動時におけるラジエータ(21)の放熱能力(Qr)から、エンジン(10)の冷却損失分(Qe)を除いたラジエータ余裕放熱能力(ΔQx)が大きくなる程、熱電素子(111)に生ずる温度差が大きくなるように、熱電素子(111)への排気ガスあるいは冷却水の少なくとも一方の供給条件を可変する可変手段を設けたことを特徴としている。   In the first aspect of the invention, the high temperature side heat source is exhaust gas from the engine (10), the low temperature side heat source is cooling water of the engine (10) cooled by the radiator (21), and the thermoelectric element (111) In a thermoelectric generator that generates electric power, a radiator margin heat dissipation capability (ΔQx) excluding the cooling loss (Qe) of the engine (10) from the heat dissipation capability (Qr) of the radiator (21) when the engine (10) is operated is large. As it is, the variable means for varying the supply condition of at least one of the exhaust gas and the cooling water to the thermoelectric element (111) is provided so that the temperature difference generated in the thermoelectric element (111) becomes large.

これにより、ラジエータ余裕放熱能力(ΔQx)分で排気ガスから冷却水が吸熱する分の放熱がまかなえる。そして、その放熱可能分に見合った排気ガスあるいは冷却水を熱電素子(111)に供給することで、ラジエータ(21)を大型化する事無く、最大限の発電が可能となる。   As a result, it is possible to provide heat radiation by the amount of heat absorbed by the cooling water from the exhaust gas by the radiator margin heat radiation capacity (ΔQx). Then, by supplying exhaust gas or cooling water corresponding to the heat radiation capability to the thermoelectric element (111), maximum power generation is possible without increasing the size of the radiator (21).

具体的には、請求項2に記載の発明のように、可変手段としては、排気ガスが流通する本流路(11)から分岐する分岐流路(112)と、分岐流路(112)を開閉する開閉弁(112a)と、開閉弁(112a)の開度を制御する制御装置(120)とを有し、熱電素子(111)には分岐流路(112)に供給される排気ガスによって高温側熱源を成すようにし、制御装置(120)は、ラジエータ余裕放熱能力(ΔQx)が大きくなる程、開閉弁(112a)の開度を大きくする側に制御すると良い。   Specifically, as in the invention described in claim 2, as the variable means, the branch channel (112) branched from the main channel (11) through which the exhaust gas flows and the branch channel (112) are opened and closed. And a control device (120) for controlling the opening degree of the on-off valve (112a). The thermoelectric element (111) is heated by exhaust gas supplied to the branch passage (112). A side heat source is formed, and the control device (120) may be controlled to increase the opening degree of the on-off valve (112a) as the radiator margin heat dissipation capability (ΔQx) increases.

これにより、ラジエータ余裕放熱能力(ΔQx)分に見合った排気ガスを分岐流路(112)に流入させることで、ラジエータ(21)を大型化する事無く、最大限の発電が可能となる。   As a result, the exhaust gas corresponding to the radiator surplus heat dissipation capability (ΔQx) is caused to flow into the branch flow path (112), so that maximum power generation is possible without increasing the size of the radiator (21).

また、請求項3に記載の発明のように、可変手段としては、冷却水が流通するエンジン冷却水回路(20)から分岐する分岐水流路(114)と、分岐水流路(114)の分岐部に設けられて、エンジン冷却水回路(20)側および分岐水流路(114)側への冷却水の流量割合を調節する流量調節弁(114a)と、流量調節弁(114a)の開度を制御する制御装置(120)とを有し、熱電素子(111)には分岐水流路(114)に供給される冷却水によって低温側熱源を成すようにし、制御装置(120)は、ラジエータ余裕放熱能力(ΔQx)が大きくなる程、流量調節弁(114a)の分岐水流路(114)側の開度を大きくするように制御しても良い。   Further, as in the third aspect of the invention, the variable means includes a branch water channel (114) branched from the engine coolant circuit (20) through which the coolant flows, and a branch portion of the branch water channel (114). The flow rate adjusting valve (114a) for adjusting the flow rate of the cooling water to the engine cooling water circuit (20) side and the branch water flow path (114) side, and the opening degree of the flow rate adjusting valve (114a) are provided. And a control device (120), and the thermoelectric element (111) forms a low temperature side heat source by the cooling water supplied to the branch water flow path (114). You may control so that the opening degree by the side of the branch water flow path (114) of a flow control valve (114a) becomes large, so that ((DELTA) Qx) becomes large.

これにより、ラジエータ余裕放熱能力(ΔQx)分に見合った冷却水を分岐水流路(114)に流入させることで、ラジエータ(21)を大型化する事無く、最大限の発電が可能となる。   As a result, the maximum amount of power generation is possible without increasing the size of the radiator (21) by flowing cooling water commensurate with the amount of radiator surplus heat dissipation capability (ΔQx) into the branch water flow path (114).

請求項4に記載の発明では、熱電素子(111)の低温側熱源は、ラジエータ(21)を通過した後の冷却水によって形成されることを特徴としている。   The invention according to claim 4 is characterized in that the low temperature side heat source of the thermoelectric element (111) is formed by the cooling water after passing through the radiator (21).

これにより、ラジエータ(21)によって温度低下した冷却水を低温側熱源とすることができるので、高温側熱源(排気ガス)との温度差を大きくして発電量を増加させることができる。   As a result, the cooling water whose temperature has been lowered by the radiator (21) can be used as the low temperature side heat source, so that the temperature difference from the high temperature side heat source (exhaust gas) can be increased to increase the amount of power generation.

請求項5に記載の発明では、請求項4に記載の発明において、エンジン冷却水回路(20)中で、ラジエータ(21)の上流側および流量調節弁(114a)の下流側を結ぶバイパス流路(22)と、制御装置(120)によって制御されると共に、バイパス流路(22)下流側およびエンジン冷却水回路(20)の合流点に設けられ、合流点からラジエータ(21)へ向かう流路、バイパス流路(22)、合流点からエンジン(10)に戻る流路同士の連通状態を切替える切替え弁(24)とを設けたことを特徴としている。   According to a fifth aspect of the present invention, in the fourth aspect of the present invention, in the engine cooling water circuit (20), a bypass flow path connecting the upstream side of the radiator (21) and the downstream side of the flow rate control valve (114a). (22) and a flow path that is controlled by the control device (120) and that is provided on the downstream side of the bypass flow path (22) and at the confluence of the engine coolant circuit (20) and that travels from the confluence to the radiator (21). And a bypass flow path (22) and a switching valve (24) for switching the communication state between the flow paths returning from the confluence to the engine (10).

これにより、通常、バイパス流路(22)に配設されるサーモスタット(23)では、冷却水温度によってラジエータ(21)側あるいはバイパス流路(22)側への冷却水の流量が規制されるが、ここでは冷却水温度に関わらず、切替え弁(24)によって、例えばエンジン(10)始動時にバイパス流路(22)側から流量調節弁(114a)を介して、熱電素子(111)側へ供給することで、発電を可能とすると共に、発電時の冷却水の吸熱によって、早期暖機が可能となる。このように、冷却水温度に関わらず冷却水の流し方を種々設定可能となるので、発電、エンジン暖機、エンジン冷却等におけるきめ細かな制御が可能となる。   Thereby, in the thermostat (23) normally arrange | positioned by a bypass flow path (22), although the flow rate of the cooling water to a radiator (21) side or a bypass flow path (22) side is controlled by the cooling water temperature. In this case, regardless of the cooling water temperature, the switching valve (24) supplies the thermoelectric element (111) to the thermoelectric element (111) side from the bypass flow path (22) side through the flow rate control valve (114a) when the engine (10) is started, for example. By doing so, power generation is possible, and early warm-up is possible by the absorption of cooling water during power generation. As described above, since it is possible to set various ways of flowing the cooling water regardless of the cooling water temperature, fine control in power generation, engine warm-up, engine cooling, and the like is possible.

請求項6に記載の発明では、請求項4または請求項5に記載の発明において、ラジエータ(21)の放熱部(211)は、所定放熱能力を確保する第1放熱部(211a)と、残りの第2放熱部(211b)とに分割されており、第1放熱部(211a)を通過した冷却水の出口側(212a)は、流量調節弁(114a)の下流側に接続され、第2放熱部(211b)を通過した冷却水の出口側(212b)は、流量調節弁(114a)に接続されたことを特徴としている。   In the invention of claim 6, in the invention of claim 4 or claim 5, the heat dissipating part (211) of the radiator (21) is the first heat dissipating part (211a) that secures a predetermined heat dissipating capacity, and the rest. The cooling water outlet side (212a) that has passed through the first heat radiating part (211a) is connected to the downstream side of the flow rate control valve (114a), and is connected to the second heat radiating part (211b). The outlet side (212b) of the cooling water that has passed through the heat radiating part (211b) is connected to the flow rate control valve (114a).

これにより、流量調節弁(114a)を分岐水流路(114)側に開くことで、第2放熱部(211b)を通過した冷却水が熱電素子(111)側に流れることに成るが、分岐水流路(114)はエンジン冷却水回路(20)より通水抵抗が高くなるため、第2放熱部(211b)を通過する冷却水量が少なくなる。よって、第2放熱部(211b)の出口側(212b)の冷却水温度(Tw2)を第1熱交換部(211a)の出口側(212a)の冷却水温度(Tw3)よりも低くすることができるので、熱電素子(111)における発電量を増大させることができる。   Accordingly, the cooling water that has passed through the second heat radiating section (211b) flows to the thermoelectric element (111) side by opening the flow control valve (114a) to the branch water flow path (114) side. Since the passage (114) has higher water flow resistance than the engine cooling water circuit (20), the amount of cooling water passing through the second heat radiating portion (211b) is reduced. Therefore, the cooling water temperature (Tw2) on the outlet side (212b) of the second heat radiating section (211b) may be set lower than the cooling water temperature (Tw3) on the outlet side (212a) of the first heat exchange section (211a). Therefore, the amount of power generation in the thermoelectric element (111) can be increased.

尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。   In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows a corresponding relationship with the specific means of embodiment description mentioned later.

(第1実施形態)
本発明の熱電発電装置100は、水冷式のエンジン10を有する車両に適用され、熱電素子111における排気ガスと冷却水との温度差よって発電を行うものとしている。尚、ここでは発電後の排気ガスを用いて、EGR(Exhaust Gas Recirculation)ガスの冷却機能も持たせるようにしている。まず、図1〜図6を用いてその基本構成について説明する。
(First embodiment)
The thermoelectric power generation apparatus 100 of the present invention is applied to a vehicle having a water-cooled engine 10 and generates power by a temperature difference between exhaust gas and cooling water in a thermoelectric element 111. Here, the exhaust gas after power generation is used to provide an EGR (Exhaust Gas Recirculation) gas cooling function. First, the basic configuration will be described with reference to FIGS.

図1に示すように、エンジン10には燃焼用の空気を吸入する吸気管12と、燃焼後の排気ガスを排出する排気管11が設けられている。吸気管12内には、図示しない車両に設けられたアクセルペダルの踏み込み量に応じて開度が可変されるスロットルバルブ12aが設けられている。   As shown in FIG. 1, the engine 10 is provided with an intake pipe 12 for sucking combustion air and an exhaust pipe 11 for discharging exhaust gas after combustion. In the intake pipe 12, there is provided a throttle valve 12a whose opening is variable according to the amount of depression of an accelerator pedal provided in a vehicle (not shown).

エンジン10は、エンジン制御装置14によって最適な作動が制御される。具体的には、エンジン制御装置14には、エンジン回転数信号、スロットルバルブ開度信号、車速信号等が入力される。そして、エンジン回転数信号およびスロットルバルブ開度信号に対する燃料噴射量を対応付けたマップを予め記憶しており、このマップに基づいて吸気管12側に所定のタイミングで必要とされる燃料が噴射される。尚、エンジン制御装置14は後述する制御装置120と互いの信号の授受が可能となるように接続されている。   The engine 10 is optimally controlled by the engine control device 14. Specifically, an engine speed signal, a throttle valve opening signal, a vehicle speed signal, and the like are input to the engine control device 14. A map in which the fuel injection amount is associated with the engine speed signal and the throttle valve opening signal is stored in advance, and the required fuel is injected into the intake pipe 12 at a predetermined timing based on this map. The The engine control device 14 is connected to a control device 120 (described later) so as to be able to exchange signals with each other.

また、エンジン10にはエンジン冷却水回路20が設けられている。エンジン冷却水回路20は、エンジン10内の冷却水がウォータポンプ13によってラジエータ21を通って循環するようにした回路である。ここではウォータポンプ13はエンジン10の駆動力を受けて作動するエンジン駆動式のポンプとしている。そして、ラジエータ21の放熱によって冷却水は冷却され、エンジン10の作動温度が適切に制御される。因みに、エンジン冷却水回路20には、ラジエータ21をバイパスするバイパス流路22と、ラジエータ21側あるいはこのバイパス流路22側への冷却水流量を調節するサーモスタット(流量制御弁)23とが設けられている。冷却水温度が所定温度(例えば90℃)以下においては、サーモスタット23によってラジエータ21側が閉じられ、冷却水がバイパス流路22側を流通することで冷却水の過冷却が防止される。これは、例えばエンジン10始動直後のように冷却水が充分に昇温していない場合に対応し、エンジン10の暖機が促進される。   The engine 10 is provided with an engine coolant circuit 20. The engine coolant circuit 20 is a circuit in which the coolant in the engine 10 is circulated through the radiator 21 by the water pump 13. Here, the water pump 13 is an engine-driven pump that operates by receiving the driving force of the engine 10. Then, the cooling water is cooled by the heat radiation of the radiator 21, and the operating temperature of the engine 10 is appropriately controlled. Incidentally, the engine coolant circuit 20 is provided with a bypass passage 22 that bypasses the radiator 21 and a thermostat (flow control valve) 23 that adjusts the coolant flow rate to the radiator 21 side or the bypass passage 22 side. ing. When the cooling water temperature is equal to or lower than a predetermined temperature (for example, 90 ° C.), the thermostat 23 closes the radiator 21 side, and the cooling water flows through the bypass flow path 22 side, thereby preventing overcooling of the cooling water. This corresponds to a case where the cooling water is not sufficiently heated, for example, immediately after the engine 10 is started, and warming up of the engine 10 is promoted.

尚、エンジン冷却水回路20には、ラジエータ21に対して並列となるようにヒータコア31が配設されて冷却水回路を形成するヒータ温水回路30が設けられている。ヒータコア31は、冷却水(温水)を熱源として空調用空気を加熱する暖房装置用の熱交換器である。   The engine coolant circuit 20 is provided with a heater hot water circuit 30 in which a heater core 31 is disposed in parallel with the radiator 21 to form a coolant circuit. The heater core 31 is a heat exchanger for a heating device that heats air for air conditioning using cooling water (hot water) as a heat source.

そして、熱電発電装置100は、上記エンジン10の燃焼後の排気ガスおよび冷却水回路20の冷却水を用いたものとしており、熱電発電器110と制御装置120とから成る。   The thermoelectric generator 100 uses the exhaust gas after combustion of the engine 10 and the cooling water of the cooling water circuit 20, and includes a thermoelectric generator 110 and a control device 120.

熱電発電器110は、ゼーベック効果を利用して発電を行う熱電素子111に後述する分岐流路112および冷却水配管114が配設されたものとしている。   In the thermoelectric generator 110, a later-described branch flow path 112 and a cooling water pipe 114 are provided in a thermoelectric element 111 that generates power using the Seebeck effect.

即ち、分岐流路112は、エンジン10の排気管(本発明の本流路に対応)11から分岐して再び排気管11に合流するように形成された流路であり、排気ガスの一部が流通できるようにしている。そして、分岐流路112は、熱電素子111の一側面側に当接され、排気ガスが熱電素子111の高温側熱源となるようにしている。また、分岐流路112の熱電素子111に対する排気ガスの上流側には、この分岐流路112を開閉する分岐開閉弁(電磁弁)112aが設けられている。   That is, the branch flow path 112 is a flow path formed so as to branch from the exhaust pipe (corresponding to the main flow path of the present invention) 11 of the engine 10 and join the exhaust pipe 11 again. It can be distributed. The branch flow path 112 is in contact with one side surface of the thermoelectric element 111 so that the exhaust gas becomes a high temperature side heat source of the thermoelectric element 111. A branch opening / closing valve (electromagnetic valve) 112 a for opening and closing the branch channel 112 is provided on the upstream side of the exhaust gas with respect to the thermoelectric element 111 in the branch channel 112.

一方、冷却水配管114は、エンジン冷却水回路20のラジエータ21の下流側から分岐してウォータポンプ13側に接続される回路として形成されており、熱電素子111の他側面側に当接されるようにしている。即ち、ラジエータ21を通過した後の冷却水が熱電素子111側に供給され、この冷却水が熱電素子111の低温側熱源となるようにしている。   On the other hand, the cooling water pipe 114 is formed as a circuit branched from the downstream side of the radiator 21 of the engine cooling water circuit 20 and connected to the water pump 13 side, and is in contact with the other side surface of the thermoelectric element 111. I am doing so. That is, the cooling water after passing through the radiator 21 is supplied to the thermoelectric element 111 side, and this cooling water becomes a low temperature side heat source of the thermoelectric element 111.

また、分岐流路112の熱電素子111に対する排気ガスの下流側において、分岐流路112からエンジン10の吸気管12に連通する導入流路113が設けられている。更に、導入流路113には、この導入流路113を開閉する導入開閉弁(電磁弁)113aが設けられている。   In addition, an introduction flow path 113 that communicates from the branch flow path 112 to the intake pipe 12 of the engine 10 is provided on the downstream side of the exhaust gas with respect to the thermoelectric element 111 in the branch flow path 112. Further, the introduction channel 113 is provided with an introduction on-off valve (electromagnetic valve) 113a for opening and closing the introduction channel 113.

そして、排気管11内には排気ガスの温度を検出する排気温センサ130が設けられており、この排気温センサ130で検出された温度信号は、後述する制御装置120に出力されるようにしている。   An exhaust temperature sensor 130 for detecting the temperature of the exhaust gas is provided in the exhaust pipe 11, and a temperature signal detected by the exhaust temperature sensor 130 is output to the control device 120 described later. Yes.

制御装置120は、以下に説明する軸トルクマップ、エンジン10の冷却損失熱量マップ、エンジン10の通水流量マップ、ラジエータ21の基準放熱量マップ、分岐開閉弁112aの開度マップや各種演算式を予め記憶しており、これらのマップや演算式に基づいて分岐開閉弁112aの開度を制御する。また、上記排気温センサ130から得られる排気ガス温度に基づいて導入開閉弁113aの開度を制御する。   The control device 120 has a shaft torque map, a cooling loss heat amount map of the engine 10, a water flow rate map of the engine 10, a reference heat release amount map of the radiator 21, an opening degree map of the branch on-off valve 112a and various arithmetic expressions described below. The degree of opening of the branch on-off valve 112a is controlled based on these maps and arithmetic expressions. Further, the opening degree of the introduction opening / closing valve 113 a is controlled based on the exhaust gas temperature obtained from the exhaust temperature sensor 130.

本実施形態では、上記分岐流路112、分岐開閉弁112a、制御装置120によって、熱電素子111への排出ガスの供給条件を可変する可変手段が形成される。   In the present embodiment, the branch passage 112, the branch opening / closing valve 112 a, and the control device 120 form variable means for varying the exhaust gas supply condition to the thermoelectric element 111.

以下、各種マップおよび演算式について説明する。軸トルクマップは、図2に示すように、エンジン制御装置14から得られる燃料噴射量Lと軸トルクTとを予め関係付けたものであり、エンジン10作動時における軸トルクTを算出するために用いられる。そして、この軸トルクTとエンジン制御装置14から得られるエンジン回転数Neとから数式1に基づいて軸出力Pを算出するようにしている。   Hereinafter, various maps and arithmetic expressions will be described. As shown in FIG. 2, the shaft torque map is obtained by associating the fuel injection amount L obtained from the engine control device 14 with the shaft torque T in advance and calculating the shaft torque T when the engine 10 is operated. Used. Then, the shaft output P is calculated based on Equation 1 from the shaft torque T and the engine speed Ne obtained from the engine control device 14.

(数1)
軸出力P=a×エンジン回転数Ne×軸トルクT
尚、aは定数である。
(Equation 1)
Shaft output P = a × engine speed Ne × shaft torque T
Note that a is a constant.

冷却損失熱量マップは、図3に示すように、軸出力Pをパラメータ(ここでは無負荷P1〜全負荷P7)として、エンジン回転数Neとエンジン10の冷却損失熱量Qeとを予め関係付けたものであり、エンジン10作動時における冷却損失熱量Qeを算出するために用いられる。因みに、冷却損失熱量Qeは、エンジン10における燃料の全燃焼熱量に冷却損失を乗じたものであり、ラジエータ21で放熱される熱量である。   As shown in FIG. 3, the cooling loss heat quantity map is obtained by previously relating the engine rotation speed Ne and the cooling loss heat quantity Qe of the engine 10 with the shaft output P as a parameter (here, no load P1 to full load P7). And is used to calculate the cooling loss heat quantity Qe when the engine 10 is operated. Incidentally, the cooling loss heat quantity Qe is obtained by multiplying the total combustion heat quantity of the fuel in the engine 10 by the cooling loss, and is a heat quantity radiated by the radiator 21.

通水流量マップは、図4に示すように、エンジン回転数Ne(Ne1〜Ne4・・・であり、これはウォータポンプ13の回転数に比例する)をパラメータにしたウォータポンプ特性Δhpと、エンジン冷却水回路20、ヒータ温水回路30、冷却水配管114を含めた通水抵抗特性Δhtとを示したもので、エンジン10を流通するエンジン通水流量Veを算出するために用いられる。   As shown in FIG. 4, the water flow rate map includes a water pump characteristic Δhp that uses the engine speed Ne (Ne1 to Ne4..., Which is proportional to the speed of the water pump 13) as a parameter, and the engine. A water flow resistance characteristic Δht including the cooling water circuit 20, the heater hot water circuit 30, and the cooling water pipe 114 is shown, and is used to calculate the engine water flow rate Ve flowing through the engine 10.

そして、エンジン通水流量Veマップから得られたエンジン通水流量Veから数式2に基づいて、ラジエータ21を流通するラジエータ通水流量Vwを算出するようにしている。   And based on Formula 2 from the engine water flow rate Ve obtained from the engine water flow rate Ve map, the radiator water flow rate Vw flowing through the radiator 21 is calculated.

(数2)
ラジエータ通水流量Vw=K×エンジン通水流量Ve
尚、Kはラジエータ21、バイパス流路22、サーモスタット23、ヒータコア31、冷却水配管114の各抵抗係数から決定される定数である。
(Equation 2)
Radiator water flow rate Vw = K x Engine water flow rate Ve
K is a constant determined from each resistance coefficient of the radiator 21, the bypass flow path 22, the thermostat 23, the heater core 31, and the cooling water pipe 114.

基準放熱量マップは、図5に示すように、上記数式2によって得られるラジエータ通水流量Vw(低流量Vw1〜高流量Vw4・・・)をパラメータとして、ラジエータ21のコア部前面に流入する空気の前面風速vaとラジエータ21の基準放熱量Qrとを予め関係付けたものであり、エンジン10作動時における基準放熱量Qrを算出するために用いられる。尚、ここで前面風速vaは、エンジン制御装置14から得られる車速vを用いて決定するようにしており、車両のバンパーやグリルによる抵抗分を考慮して、数式3で算出されるようにしている。   As shown in FIG. 5, the reference heat release map has the radiator water flow rate Vw (low flow rate Vw1 to high flow rate Vw4...) Obtained by Equation 2 as a parameter, and the air flowing into the front surface of the core portion of the radiator 21. The front wind speed va and the reference heat release amount Qr of the radiator 21 are related in advance, and are used to calculate the reference heat release amount Qr when the engine 10 is operating. Here, the front wind speed va is determined by using the vehicle speed v obtained from the engine control device 14, and is calculated by Equation 3 in consideration of resistance due to the bumper and grill of the vehicle. Yes.

(数3)
前面風速va=b×車速v
尚、bは定数であり、ここでは1/5としている。
(Equation 3)
Front wind speed va = b × vehicle speed v
In addition, b is a constant and is set to 1/5 here.

開度マップは、図6に示すように、排気放熱量Qexと分岐開閉弁112aの開度とを予め関係付けたものである。ここで排気放熱量Qexは、以下の数式4によって算出されるラジエータ21の余裕熱量ΔQxに等しい熱量としている。   As shown in FIG. 6, the opening degree map associates the exhaust heat radiation amount Qex and the opening degree of the branch opening / closing valve 112a in advance. Here, the exhaust heat release amount Qex is a heat amount equal to the surplus heat amount ΔQx of the radiator 21 calculated by the following mathematical formula 4.

(数4)
余裕熱量ΔQx=基準放熱量Qr−冷却損失熱量Qe=排気放熱量Qex
分岐開閉弁112aの開度は、排気放熱量Qexが大きくなる程、大きくなるように対応付けている。
(Equation 4)
Allowable heat amount ΔQx = reference heat dissipation amount Qr−cooling loss heat amount Qe = exhaust heat dissipation amount Qex
The opening degree of the branch on-off valve 112a is associated so as to increase as the exhaust heat release amount Qex increases.

次に、上記構成に基づく作動について説明する。エンジン10の作動において、スロットルバルブ12aの開度に応じて、吸入管12から燃焼用の空気が吸入され、図示しないインジェクタから噴射される燃料と混合されて燃焼される。そして、燃焼後の排気ガスは図示しない触媒によって浄化され排気管11から大気に排出される。また、ウォータポンプ13の作動により、冷却水はエンジン冷却水回路20および冷却水配管114を循環する。   Next, the operation based on the above configuration will be described. In the operation of the engine 10, combustion air is sucked from the suction pipe 12 according to the opening of the throttle valve 12 a, mixed with fuel injected from an injector (not shown), and burned. The exhaust gas after combustion is purified by a catalyst (not shown) and discharged from the exhaust pipe 11 to the atmosphere. In addition, by the operation of the water pump 13, the coolant circulates through the engine coolant circuit 20 and the coolant pipe 114.

制御装置120は、図2〜図6に示す各マップおよび数式1〜数式4に基づいて分岐開閉弁112aの開度を調整する。図7は、その時の制御フローを示すものであり、以下、その詳細を説明する。   The control device 120 adjusts the opening degree of the branch on-off valve 112a based on the maps shown in FIGS. FIG. 7 shows the control flow at that time, and the details will be described below.

まず、ステップS100で各種信号(燃料噴射量L、エンジン回転数Ne、スロットルバルブ開度Bk、車速v等のデータ)を読み込み、ステップS110で冷却損失熱量Qeを算出する。即ち、図2の軸トルクマップからその時の燃料噴射量Lに対応する軸トルクTを算出し、数式1より、軸出力Pをa×Ne×Tとして算出する。そして、図3の冷却損失熱量マップから、その時のエンジン回転数Neおよび上記で得られた軸出力Pに対応する冷却損失熱量Qeを算出する。   First, various signals (data such as fuel injection amount L, engine speed Ne, throttle valve opening Bk, vehicle speed v, etc.) are read in step S100, and cooling heat loss Qe is calculated in step S110. That is, the shaft torque T corresponding to the fuel injection amount L at that time is calculated from the shaft torque map of FIG. 2, and the shaft output P is calculated as a × Ne × T from Equation 1. Then, from the cooling loss heat quantity map of FIG. 3, the engine speed Ne at that time and the cooling loss heat quantity Qe corresponding to the shaft output P obtained above are calculated.

次に、ステップS120で基準放熱量Qrを算出する。ここでは、図4の通水流量マップからその時のエンジン回転数Neにおけるポンプ特性Δhpと通水抵抗特性Δhtとの交点からエンジン通水流量Veを算出する。更に、このエンジン通水流量Veから数式2を用いてラジエータ通水流量Vwを算出する。そして、図5の基準放熱量マップからその時のラジエータ通水流量Vwにおける前面風速va(数式3を用いて算出)に対応する基準放熱量Qrを算出する。   Next, in step S120, a reference heat release amount Qr is calculated. Here, the engine water flow rate Ve is calculated from the intersection of the pump characteristic Δhp and the water flow resistance characteristic Δht at the engine speed Ne at that time from the water flow rate map of FIG. Further, the radiator water flow rate Vw is calculated from the engine water flow rate Ve using Formula 2. Then, a reference heat release amount Qr corresponding to the front wind speed va (calculated using Formula 3) at the radiator water flow rate Vw at that time is calculated from the reference heat release amount map of FIG.

次に、ステップS130で上記の冷却損失熱量Qeと基準放熱量Qrを用いて、数式4から余裕熱量ΔQxをQr−Qeとして算出する。   Next, in step S130, the heat loss ΔQx is calculated as Qr−Qe from Equation 4 using the cooling heat loss Qe and the reference heat dissipation amount Qr.

次に、ステップS140で余裕熱量ΔQxがゼロより大きいかを判定し、否と判定するとステップS150で分岐開閉弁112aを閉じて、ステップS100に戻る。即ち、これは、エンジン10の負荷が最も高く、本来の基準放熱量Qrで冷却損失熱量Qeをすべて放熱させる場合であり、熱電発電器110側への排気ガスの供給を停止させることで、冷却水配管114中の冷却水の温度上昇を避けて、エンジン10のオーバーヒートを防止する。   Next, in step S140, it is determined whether or not the surplus heat amount ΔQx is greater than zero. In other words, this is a case where the load on the engine 10 is the highest and the cooling heat loss Qe is radiated by the original reference heat release amount Qr, and the supply of exhaust gas to the thermoelectric generator 110 side is stopped to The engine 10 is prevented from overheating by avoiding an increase in the temperature of the cooling water in the water pipe 114.

一方、ステップS140で余裕熱量ΔQxがゼロより大きいと判定すると、ステップS160で排気放熱量Qexを算出する。この排気放熱量Qexは、数式4より余裕熱量ΔQxに等しい値として設定する。尚、余裕熱量ΔQxがゼロより大きいということは、エンジン10の負荷が低く、ラジエータ21にとってはエンジン10の冷却損失熱量Qe分の放熱を行いつつ、余裕熱量ΔQx分の放熱能力を有することを意味する。   On the other hand, if it is determined in step S140 that the surplus heat amount ΔQx is greater than zero, the exhaust heat release amount Qex is calculated in step S160. The exhaust heat release amount Qex is set as a value equal to the surplus heat amount ΔQx from Equation 4. Note that the surplus heat quantity ΔQx is greater than zero means that the load on the engine 10 is low, and the radiator 21 has a heat radiation capacity for the surplus heat quantity ΔQx while performing heat radiation for the cooling loss heat quantity Qe of the engine 10. To do.

そして、ステップS170で図6の開度マップに基づき、分岐開閉弁112a
の開度を可変する。即ち、排気放熱量Qexが大きい程、開度を大きくして、分岐流路112に流入する排気ガスの量を増加させ(排気ガス側の温度を高めて)、冷却水配管114内の冷却水との温度差を大きくして熱電素子111による発電量を積極的に増加させる。そして、この発電によって得られた電力は、図示しない充電器(バッテリ)へ充電されたり、各種補機作動のために使用される。この時、排気ガスによって冷却水は吸熱することになるが、その吸熱分はラジエータ21の余裕熱量ΔQxによって放熱がまかなわれる訳である。
In step S170, based on the opening map of FIG.
Varying the opening of. That is, the larger the exhaust heat dissipation amount Qex, the larger the opening degree and the amount of exhaust gas flowing into the branch passage 112 (increasing the temperature on the exhaust gas side). And the power generation amount by the thermoelectric element 111 is positively increased. And the electric power obtained by this electric power generation is charged to the charger (battery) which is not shown in figure, and is used for various auxiliary machine operation | movement. At this time, the cooling water absorbs heat by the exhaust gas, and the heat absorption is provided by the surplus heat quantity ΔQx of the radiator 21.

尚、制御装置120は、排気温センサ130からの排気ガス温度が低い程、即ちエンジン10の負荷が低い程、導入開閉弁113aの開度を大きくする側に調整する。上記のように熱電素子111によって発電が行われる際に、排気ガスは冷却水配管114の冷却水によって逆に冷却されることになる。そして、この冷却された排気ガスは、導入開閉弁113aから導入流路113を流通して、吸入管12内に流入する。   The control device 120 adjusts the opening degree of the introduction opening / closing valve 113a to be larger as the exhaust gas temperature from the exhaust temperature sensor 130 is lower, that is, as the load on the engine 10 is lower. As described above, when power is generated by the thermoelectric element 111, the exhaust gas is cooled by the cooling water in the cooling water pipe 114. Then, the cooled exhaust gas flows from the introduction opening / closing valve 113 a through the introduction flow path 113 and flows into the suction pipe 12.

これは、あたかも専用の熱交換器で排気ガスを冷却した後に、この排気ガスを吸気側に流入させるEGRガス冷却装置と等価な作用を果たすものと成り、エンジン10における出力を低下させること無く、燃焼温度を低下させ、排気ガス中のNO濃度を低下させる。 This is equivalent to an EGR gas cooling device that cools the exhaust gas with a dedicated heat exchanger and then flows the exhaust gas into the intake side, without reducing the output in the engine 10, lowering the combustion temperature, thereby reducing the concentration of NO X in the exhaust gas.

このように本発明においては、熱電素子111の低温側の熱源をエンジン10の冷却水を用いるようにし、エンジン10作動時におけるラジエータ21の基準放熱量Qrから、エンジン10の冷却損失熱量Qeを除いたラジエータ21の余裕熱量ΔQexが大きくなる程、分岐開閉弁112aの開度を大きくする側に制御するようにしているので、余裕熱量ΔQexで排気ガスから冷却水が吸熱する分の放熱がまかなえる。そして、その放熱可能分に見合った排気ガスを分岐流路112に流入させることで、ラジエータ21を大型化する事無く、最大限の発電が可能となる。   Thus, in the present invention, the cooling water of the engine 10 is used as the heat source on the low temperature side of the thermoelectric element 111, and the cooling loss heat quantity Qe of the engine 10 is removed from the reference heat dissipation quantity Qr of the radiator 21 when the engine 10 is operating. Further, since the opening degree of the branch on-off valve 112a is controlled to increase as the surplus heat amount ΔQex of the radiator 21 increases, the heat release from the exhaust gas by the surplus heat amount ΔQex can be performed. And by making the exhaust gas commensurate with the heat radiation possible flow into the branch flow path 112, maximum power generation is possible without increasing the size of the radiator 21.

そして、熱電素子111の発電によりエンジン10においては本来の発電機(オルターネータ)に要する作動負荷を低減できるので、エンジン10の燃費を向上させることができる。   And since the operation load which the original generator (alternator) requires in the engine 10 by the electric power generation of the thermoelectric element 111 can be reduced, the fuel consumption of the engine 10 can be improved.

また、熱電素子111の低温側熱源としてラジエータ21を通過した後の冷却水を用いるようにしているので、ラジエータ21によって温度低下した冷却水を低温側熱源とすることができ、高温側熱源(排気ガス)との温度差を大きくして発電量を増加させることができる。   Further, since the cooling water after passing through the radiator 21 is used as the low temperature side heat source of the thermoelectric element 111, the cooling water whose temperature has been lowered by the radiator 21 can be used as the low temperature side heat source, and the high temperature side heat source (exhaust gas) The amount of power generation can be increased by increasing the temperature difference from the gas.

尚、冷却水配管114は、上記第1実施形態に対してサーモスタット23の下流側から分岐するようにしたり、また、ラジエータ21の上流側から分岐するようにしても良い。   The cooling water pipe 114 may be branched from the downstream side of the thermostat 23 with respect to the first embodiment, or may be branched from the upstream side of the radiator 21.

また、図8に示すように、冷却水配管114(熱電素子111)をラジエータ21に対して、直列に配置するようにしても良い。   Further, as shown in FIG. 8, the cooling water pipe 114 (thermoelectric element 111) may be arranged in series with respect to the radiator 21.

また、エンジン10の出力や排気ガス中のNOの濃度に応じて、導入流路113および導入開閉弁113aは廃止するようにしても良い。 Also, depending on the concentration of the NO X output and exhaust gas of the engine 10, the introduction passage 113 and introduced on-off valve 113a may be abolished.

(第2実施形態)
本発明の第2実施形態を図9に示す。第2実施形態は、上記第1実施形態に対して、低温側熱源となる冷却水の流量を可変するようにしたものである。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention is shown in FIG. In the second embodiment, the flow rate of the cooling water serving as the low temperature side heat source is made variable with respect to the first embodiment.

ここでは、第1実施形態と同様に、エンジン冷却水回路20のラジエータ21の下流側から分岐してウォータポンプ13側に接続される冷却水配管(本発明における分岐水流路に対応)114を設けており、熱電素子111の低温側熱源となるようにしている。   Here, similarly to the first embodiment, a cooling water pipe 114 (corresponding to the branched water flow path in the present invention) 114 is provided which branches from the downstream side of the radiator 21 of the engine cooling water circuit 20 and is connected to the water pump 13 side. The heat source is a low-temperature heat source of the thermoelectric element 111.

そして、冷却水配管114の分岐点に流量調節弁114aを設けている。流量調節弁114aは、エンジン冷却水回路20側(以下、エンジン10側)および冷却水配管114側への冷却水の流量割合を調節可能とする弁であり、制御装置120によって、その開度が制御されるようにしている。本実施形態では、上記冷却水配管114、流量調節弁114a、制御装置120によって、熱電素子111への冷却水の供給条件を可変する可変手段が形成される。   A flow rate adjustment valve 114 a is provided at the branch point of the cooling water pipe 114. The flow rate adjustment valve 114a is a valve that enables adjustment of the flow rate of the cooling water to the engine cooling water circuit 20 side (hereinafter referred to as the engine 10 side) and the cooling water piping 114 side. To be controlled. In the present embodiment, the cooling water pipe 114, the flow rate adjustment valve 114 a, and the control device 120 form variable means for changing the cooling water supply condition to the thermoelectric element 111.

そして、制御装置120は、エンジン10作動時におけるラジエータ21の余裕熱量ΔQx(第1実施形態の数式4)が大きくなる程、流量調節弁114aの冷却水配管114側の開度を大きくして、冷却水配管114を流通する冷却水量を増加させ、分気流路112内の排気ガスとの温度差を大きくして熱電素子111による発電量を積極的に増加させる。   And the control apparatus 120 enlarges the opening degree by the side of the cooling water piping 114 of the flow regulating valve 114a, so that the surplus heat amount (DELTA) Qx (Formula 4 of 1st Embodiment) of the radiator 21 at the time of engine 10 operation | movement becomes large, The amount of cooling water flowing through the cooling water pipe 114 is increased, the temperature difference from the exhaust gas in the air separation channel 112 is increased, and the amount of power generated by the thermoelectric element 111 is positively increased.

これにより、余裕熱量ΔQx分で排気ガスから冷却水が吸熱する分の放熱がまかなえるため、余裕熱量ΔQx分に見合った冷却水を冷却水配管114に流入させることで、ラジエータ21を大型化する事無く、最大限の発電が可能となる。   As a result, the amount of heat that can be absorbed by the cooling water from the exhaust gas can be provided by the amount of surplus heat ΔQx. And maximum power generation is possible.

(第3実施形態)
本発明の第3実施形態を図10〜図12に示す。第3実施形態は、上記第2実施形態に対して、サーモスタット23を、制御装置120によって開度が制御される切替え弁24に変更したものである。
(Third embodiment)
A third embodiment of the present invention is shown in FIGS. In the third embodiment, the thermostat 23 is changed to a switching valve 24 whose opening degree is controlled by the control device 120 with respect to the second embodiment.

切替え弁24は、図11に示すように、内部の弁体位置が制御装置120によって回動され、ラジエータ21へ向かう流路、バイパス流路22、エンジン10に戻る流路同士の連通状態を切替え可能とする弁としている。   As shown in FIG. 11, the switching valve 24 has its internal valve body position rotated by the control device 120 to switch the communication state between the flow path toward the radiator 21, the bypass flow path 22, and the flow path returning to the engine 10. The valve is made possible.

即ち、この切替え弁24においては、図11(a)〜(c)に示す、通常のサーモスタット23と同様の連通状態に加えて、図11(d)のバイパス流路22からラジエータ21へ向かう流路への連通状態の形成も可能としている。   That is, in this switching valve 24, in addition to the communication state similar to that of the ordinary thermostat 23 shown in FIGS. 11A to 11C, the flow from the bypass flow path 22 of FIG. It is also possible to form a communication state with the road.

そして、エンジン10始動後に、切替え弁24を図11(d)の連通状態に切替えることにより、また、流量調節弁114aを冷却水配管114側およびエンジン10側の両者を開状態にすることにより、図12に示すような冷却水の流れが形成でき、熱電素子111による発電を可能とすると共に、発電時の冷却水の吸熱によって、エンジン10の早期暖機が可能となる。このように、サーモスタット23とは異なり、冷却水温度の制約を受けずに冷却水の流し方を種々設定可能となるので、発電、エンジン暖機、エンジン冷却等におけるきめ細かな制御が可能となる。   Then, after the engine 10 is started, the switching valve 24 is switched to the communication state shown in FIG. 11D, and the flow rate adjustment valve 114a is opened on both the cooling water pipe 114 side and the engine 10 side, The flow of the cooling water as shown in FIG. 12 can be formed, and power generation by the thermoelectric element 111 is enabled, and the engine 10 can be warmed up early by absorbing heat of the cooling water during power generation. In this way, unlike the thermostat 23, it is possible to set various ways of flowing the cooling water without being restricted by the cooling water temperature, so that fine control in power generation, engine warm-up, engine cooling, and the like is possible.

尚、上記第3実施形態の変形例として、図13に示すように、流量調節弁114aと切替え弁24とを統合した切替え弁24aとしても良い。この切替え弁24aにおいては、例えば、4つの接続部(ラジエータ21側、バイパス流路22側、エンジン10側、冷却水配管114側)に対して、それぞれ独立して開閉可能な弁体を設けるものとすれば良く、部品点数の低減が可能となる。   As a modification of the third embodiment, as shown in FIG. 13, a switching valve 24a in which a flow rate adjustment valve 114a and a switching valve 24 are integrated may be used. In this switching valve 24a, for example, valve elements that can be opened and closed independently are provided for four connection portions (the radiator 21 side, the bypass flow path 22 side, the engine 10 side, and the cooling water piping 114 side). The number of parts can be reduced.

(第4実施形態)
本発明の第4実施形態を図14〜図16に示す(熱電発電器110への分岐流路112の図示は省略している)。第4実施形態は、上記第2実施形態に対して、冷却水配管114にから熱電素子111に供給する冷却水の温度を可変するようにしたものである。
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment of the present invention is shown in FIGS. 14 to 16 (illustration of the branch flow path 112 to the thermoelectric generator 110 is omitted). In the fourth embodiment, the temperature of the cooling water supplied to the thermoelectric element 111 from the cooling water pipe 114 is made variable with respect to the second embodiment.

図14に示すように、ここでは、ラジエータ21の放熱部211を第1放熱部211aと第2放熱部211bとの2つに分割している。第1放熱部211aは、車両の高負荷時(例えば低速登坂時)に対して、それよりも負荷の軽い中負荷時(例えば高速走行時)での放熱能力(本発明における所定放熱能力)を確保するサイズ(全体の略75%)にしており、残りを第2放熱部211bとしている。   As shown in FIG. 14, here, the heat radiating part 211 of the radiator 21 is divided into two parts, a first heat radiating part 211a and a second heat radiating part 211b. The first heat dissipating part 211a has a heat dissipating capability (predetermined heat dissipating capability in the present invention) at a medium load (for example, high speed driving) lighter than that when the vehicle is under a high load (for example, at low speed climbing). The size is ensured (approximately 75% of the total), and the remainder is the second heat radiating portion 211b.

ラジエータ21の出口側タンク212内には、第1放熱部211aおよび第2放熱部211bの境界部となる位置に仕切り板212cを設けている。そして、第1放熱部211aに対応する出口側タンク212に第1出口部212aを設け、第2放熱部211bに対応する出口側タンク212に第2出口部212bを設けている。よって、ラジエータ21を流通する冷却水は、第1放熱部211aを通り、第1出口部212aから流出するものと、第2放熱部211bを通り、第2出口部212bから流出するものとに分かれる。   In the outlet side tank 212 of the radiator 21, a partition plate 212c is provided at a position that becomes a boundary portion between the first heat radiating portion 211a and the second heat radiating portion 211b. And the 1st exit part 212a is provided in the exit side tank 212 corresponding to the 1st thermal radiation part 211a, and the 2nd exit part 212b is provided in the exit side tank 212 corresponding to the 2nd thermal radiation part 211b. Therefore, the cooling water flowing through the radiator 21 is divided into one that flows out from the first outlet portion 212a through the first heat radiating portion 211a and one that flows out from the second outlet portion 212b through the second heat radiating portion 211b. .

そして、第1出口部212aは、流量調節弁114aとサーモスタット23との間(流量調節弁114aの下流側)に接続され、また、第2出口部212bは、流量調節弁114aに接続されている。   The first outlet 212a is connected between the flow control valve 114a and the thermostat 23 (on the downstream side of the flow control valve 114a), and the second outlet 212b is connected to the flow control valve 114a. .

次に、上記構成に基づく作動およびその作用効果について説明する。   Next, the operation based on the above configuration and the operation and effect thereof will be described.

1.低負荷時(アイドリング、通常走行時) 図14
エンジン10出口側の冷却水温度は、低いレベルにあり(例えば82℃以下)、サーモスタット23は、ラジエータ21側を閉じている。制御装置120は、流量調節弁114aのエンジン10側(エンジン冷却回路20側)と冷却水配管114側の両者を開くようにする。
1. At low load (idling, normal driving) Fig. 14
The coolant temperature on the outlet side of the engine 10 is at a low level (for example, 82 ° C. or lower), and the thermostat 23 closes the radiator 21 side. The control device 120 opens both the engine 10 side (engine cooling circuit 20 side) and the cooling water pipe 114 side of the flow rate adjusting valve 114a.

エンジン10出口側から流出する冷却水は、バイパス流路22側とラジエータ21側に分かれる。バイパス流路22側へ流れた冷却水は、エンジン10に戻る。一方、ラジエータ21側に流れた冷却水は、第1放熱部211a、第2放熱部211bをそれぞれ流れる。   Cooling water flowing out from the engine 10 outlet side is divided into a bypass flow path 22 side and a radiator 21 side. The cooling water that has flowed toward the bypass flow path 22 returns to the engine 10. On the other hand, the cooling water that has flowed to the radiator 21 side flows through the first heat radiating portion 211a and the second heat radiating portion 211b, respectively.

第1放熱部211aを経て第1出口部212aから流出する冷却水は、サーモスタット23によって止められ、流量調節弁114a側に流れる。また、第2放熱部211bを経て第2出口部212bから流出する冷却水は、流量調節弁114aに至り、上記第1出口部212aからの冷却水と合流して、冷却水配管114を通りエンジン10に戻る。この時、熱電素子111(熱電発電器110)において、発電が行われる。   The cooling water flowing out from the first outlet 212a through the first heat radiating section 211a is stopped by the thermostat 23 and flows toward the flow rate adjustment valve 114a. Further, the cooling water flowing out from the second outlet portion 212b through the second heat radiating portion 211b reaches the flow rate adjusting valve 114a, merges with the cooling water from the first outlet portion 212a, passes through the cooling water pipe 114, and passes through the engine. Return to 10. At this time, power generation is performed in the thermoelectric element 111 (thermoelectric generator 110).

ここで、温度の低い冷却水がラジエータ21で冷却され、且つ、この冷却水の全量が熱電素子111に至ることになるので、排気ガス側との温度差を大きくして充分な発電量を確保することができる。尚、冷却水は、ラジエータ21において冷却されるものの、熱電素子111において排気ガスの熱を吸熱するのでエンジン10にとっては、暖機性の悪化は抑えられる。   Here, the cooling water having a low temperature is cooled by the radiator 21 and the entire amount of the cooling water reaches the thermoelectric element 111, so that a sufficient temperature difference is ensured by increasing the temperature difference from the exhaust gas side. can do. Although the cooling water is cooled by the radiator 21, since the heat of the exhaust gas is absorbed by the thermoelectric element 111, deterioration of warm-up property is suppressed for the engine 10.

2.中負荷時(高速走行時) 図15
エンジン10出口側の冷却水温度Tw1は、中間レベルにあり(例えば82℃から100℃)、サーモスタット23は、ラジエータ21側とバイパス流路22側の両者を開いている(冷却水温度Tw1が高い程、ラジエータ21側の開度が大きくなる)。制御装置120は、流量調節弁114aの冷却水配管114側を開くようにする。
2. At medium load (at high speed) Fig. 15
The coolant temperature Tw1 at the outlet side of the engine 10 is at an intermediate level (for example, 82 ° C. to 100 ° C.), and the thermostat 23 opens both the radiator 21 side and the bypass flow path 22 side (the coolant temperature Tw1 is high). The degree of opening on the side of the radiator 21 increases accordingly). The control device 120 opens the cooling water pipe 114 side of the flow rate adjustment valve 114a.

エンジン10出口側から流出する冷却水は、バイパス流路22側とラジエータ21側に分かれる。バイパス流路22側へ流れた冷却水は、エンジン10に戻る。一方、ラジエータ21側に流れた冷却水は、第1放熱部211a、第2放熱部211bをそれぞれ流れる。   Cooling water flowing out from the engine 10 outlet side is divided into a bypass flow path 22 side and a radiator 21 side. The cooling water that has flowed toward the bypass flow path 22 returns to the engine 10. On the other hand, the cooling water that has flowed to the radiator 21 side flows through the first heat radiating portion 211a and the second heat radiating portion 211b, respectively.

第1放熱部211aを経て第1出口部212aから流出する冷却水は、サーモスタット23を通り、エンジン10に戻る。また、第2放熱部211bを経て第2出口部212bから流出する冷却水は、流量調節弁114aに至り、冷却水配管114を通りエンジン10に戻る。この時、熱電素子111(熱電発電器110)において、発電が行われる。   Cooling water flowing out from the first outlet 212a through the first heat radiating section 211a passes through the thermostat 23 and returns to the engine 10. Further, the cooling water flowing out from the second outlet 212b through the second heat radiating part 211b reaches the flow control valve 114a, returns to the engine 10 through the cooling water pipe 114. At this time, power generation is performed in the thermoelectric element 111 (thermoelectric generator 110).

ここで、冷却水配管114はエンジン冷却水回路20より通水抵抗が高くなるため、第1放熱部211aを通過する冷却水量Vw3に比べて、第2放熱部211bを通過する冷却水量Vw2は少なくなる。よって、第2放熱部211bの流出側の冷却水温度Tw2を第1熱交換部211aの流出側の冷却水温度Tw3よりも低くすることができるので、熱電素子111における発電量を増大させることができる。   Here, since the cooling water pipe 114 has higher water flow resistance than the engine cooling water circuit 20, the cooling water amount Vw2 passing through the second heat radiating portion 211b is smaller than the cooling water amount Vw3 passing through the first heat radiating portion 211a. Become. Therefore, since the cooling water temperature Tw2 on the outflow side of the second heat radiating unit 211b can be made lower than the cooling water temperature Tw3 on the outflow side of the first heat exchange unit 211a, the amount of power generation in the thermoelectric element 111 can be increased. it can.

因みに、本発明者の一試算例を以下に示す。ラジエータ21の放熱部211を分割せずに全体で放熱するものとし、例えばエンジン10の出口側の冷却水温度Tw1を100℃、ラジエータ21の冷却水流量が40L/min、ラジエータ21の前面風速が3m/sec、ラジエータ21の入口空気温度が30℃とすると、ラジエータ21の出口側の冷却水温度は、93℃となる。この冷却水(93℃)と400℃の排気ガスとを熱電素子111に供給すると、温度差307℃で発電することになる。   Incidentally, a trial calculation example of the present inventor is shown below. The radiator 21 of the radiator 21 is radiated as a whole without being divided. For example, the cooling water temperature Tw1 on the outlet side of the engine 10 is 100 ° C., the cooling water flow rate of the radiator 21 is 40 L / min, and the front wind speed of the radiator 21 is If the inlet air temperature of the radiator 21 is 30 ° C. at 3 m / sec, the cooling water temperature on the outlet side of the radiator 21 is 93 ° C. When this cooling water (93 ° C.) and 400 ° C. exhaust gas are supplied to the thermoelectric element 111, power is generated at a temperature difference of 307 ° C.

一方、本実施形態のラジエータ21の放熱部211を分割したものにおいては、第2放熱部211bを流通する冷却水流量Vw2が5L/minとなり、第2放熱部211bを経て第2出口部212bから流出する冷却水温度Tw2は、82℃となる。この冷却水(82℃)と400℃の排気ガスとを熱電素子111に供給すると、温度差318℃で発電することになる。   On the other hand, when the radiator 21 of the radiator 21 of the present embodiment is divided, the cooling water flow rate Vw2 flowing through the second radiator 211b is 5 L / min, and the second outlet 212b passes through the second radiator 211b. The cooling water temperature Tw2 flowing out is 82 ° C. When this cooling water (82 ° C.) and 400 ° C. exhaust gas are supplied to the thermoelectric element 111, power is generated at a temperature difference of 318 ° C.

ここで、熱電素子111における最大発電量は、以下の数式5に示されるように、排気ガス温度THと冷却水温度TLとの温度差の2乗に比例する。   Here, the maximum power generation amount in the thermoelectric element 111 is proportional to the square of the temperature difference between the exhaust gas temperature TH and the cooling water temperature TL, as shown in Equation 5 below.

(数5)
最大発電量=1/4・pf・(TH−TL)
但し、pfはゼーベック係数(W/K)である。
(Equation 5)
Maximum power generation = 1/4 · pf · (TH-TL) 2
However, pf is a Seebeck coefficient (W / K).

よって、上記の放熱部211を分割したものにおいては、分割しないものに比べて最大発電量は、318/309=107から、7%の向上が見込めることになる。 Therefore, in those dividing the heat radiation unit 211, the maximum power generation amount as compared to those not divided from 318 2/309 2 = 107, so that the increase of 7% can be expected.

3.高負荷時(低速登坂走行時) 図16
エンジン10出口側の冷却水温度は、高いレベルにあり(例えば100℃以上)、サーモスタット23は、ラジエータ21側を開いている。制御装置120は、流量調節弁114aのエンジン冷却水回路20側を開くようにする。
3. At high load (during low-speed climbing) Figure 16
The coolant temperature at the outlet side of the engine 10 is at a high level (for example, 100 ° C. or higher), and the thermostat 23 opens the radiator 21 side. The control device 120 opens the engine coolant circuit 20 side of the flow rate adjustment valve 114a.

エンジン10出口側から流出する冷却水は、ラジエータ21側に流れ、第1放熱部211a、第2放熱部211bをそれぞれ流れる。   The cooling water flowing out from the outlet side of the engine 10 flows to the radiator 21 side and flows through the first heat radiating portion 211a and the second heat radiating portion 211b.

第1放熱部211aを経て第1出口部212aから流出する冷却水は、サーモスタット23を通り、エンジン10に戻る。また、第2放熱部211bを経て第2出口部212bから流出する冷却水は、流量調節弁114aに至り、上記第1出口部212aからの冷却水と合流して、エンジン10に戻る。この時、熱電素子111(熱電発電器110)には冷却水が供給されないので、発電は停止される。即ち、冷却水はラジエータ21でフルに冷却され、エンジン10の負荷に対応する訳である。   Cooling water flowing out from the first outlet 212a through the first heat radiating section 211a passes through the thermostat 23 and returns to the engine 10. Further, the cooling water flowing out from the second outlet portion 212b through the second heat radiating portion 211b reaches the flow rate adjusting valve 114a, merges with the cooling water from the first outlet portion 212a, and returns to the engine 10. At this time, since the cooling water is not supplied to the thermoelectric element 111 (thermoelectric generator 110), power generation is stopped. That is, the cooling water is fully cooled by the radiator 21 and corresponds to the load of the engine 10.

このように、本実施形態においては、エンジン10の負荷(余裕熱量ΔQx)に応じて、熱電素子111への冷却水量を可変すると共に、ラジエータ21の出口側温度を低下させることで、より効果的な発電を可能としている。   As described above, in the present embodiment, the amount of cooling water to the thermoelectric element 111 is varied according to the load of the engine 10 (allowable heat amount ΔQx), and the outlet side temperature of the radiator 21 is reduced, which is more effective. Power generation is possible.

(その他の実施形態)
上記第1実施形態では、排気ガスの流量を可変するものとし、上記第2〜第4実施形態では、冷却水の流量あるいは温度を可変するものとして説明したが、両者(排気ガスおよび冷却水)の可変を組合せたものとしても良い。
(Other embodiments)
In the first embodiment, the flow rate of the exhaust gas is assumed to be variable, and in the second to fourth embodiments, the flow rate or the temperature of the cooling water is assumed to be variable, but both (exhaust gas and cooling water). It is also possible to combine these variables.

本発明の第1実施形態における全体構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the whole structure in 1st Embodiment of this invention. 燃料噴射量と軸トルクとの関係を示す軸トルクマップである。It is a shaft torque map which shows the relationship between fuel injection quantity and shaft torque. 軸出力をパラメータとしたエンジン回転数とエンジン冷却損失熱量との関係を示す冷却損失熱量マップである。It is a cooling loss calorie | heat amount map which shows the relationship between the engine speed which used the shaft output as a parameter, and an engine cooling loss calorie | heat amount. エンジン通水流量に対するポンプ特性および通水抵抗特性を示す通水流量マップである。It is a water flow map which shows the pump characteristic with respect to an engine water flow, and a water flow resistance characteristic. 前面風速vaとラジエータの基準放熱量Qrとの関係を示す基準放熱量マップである。It is a reference | standard heat dissipation amount map which shows the relationship between front wind speed va and the reference | standard heat dissipation amount Qr of a radiator. 排気放熱量Qexと分岐開閉弁の開度との関係を示す開度マップである。It is an opening degree map which shows the relationship between the exhaust heat radiation amount Qex and the opening degree of a branch on-off valve. 分岐開閉弁の開度を制御するための制御フローチャートである。It is a control flowchart for controlling the opening degree of a branch on-off valve. 第1実施形態の変形例1における全体構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the whole structure in the modification 1 of 1st Embodiment. 本発明の第2実施形態における全体構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the whole structure in 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態における全体構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the whole structure in 3rd Embodiment of this invention. 切替え弁の切替え状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the switching state of a switching valve. 第3実施形態における冷却水の流れ方の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of how the cooling water flows in 3rd Embodiment. 第3実施形態の変形例2における全体構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the whole structure in the modification 2 of 3rd Embodiment. 本発明の第4実施形態における全体構成を示す模式図である(低負荷時)。It is a schematic diagram which shows the whole structure in 4th Embodiment of this invention (at the time of low load). 本発明の第4実施形態における全体構成を示す模式図である(中負荷時)。It is a schematic diagram which shows the whole structure in 4th Embodiment of this invention (at the time of medium load). 本発明の第4実施形態における全体構成を示す模式図である(高負荷時)。It is a schematic diagram which shows the whole structure in 4th Embodiment of this invention (at the time of high load).

符号の説明Explanation of symbols

10 エンジン
11 排気管(本流路)
21 ラジエータ
22 バイパス流路
24 切替え弁
100 熱電発電装置
111 熱電素子
112 分岐流路
112a 分岐開閉弁
114 冷却水配管(分岐水流路)
114a 流量調節弁
120 制御装置
211 放熱部
211a 第1放熱部
211b 第2放熱部
212a 第1出口部(出口側)
212b 第2出口部(出口側)
10 Engine 11 Exhaust pipe (main flow path)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 21 Radiator 22 Bypass flow path 24 Switching valve 100 Thermoelectric power generation device 111 Thermoelectric element 112 Branch flow path 112a Branch on-off valve 114 Cooling water piping (branch water flow path)
114a Flow control valve 120 Control device 211 Heat radiating part 211a First heat radiating part 211b Second heat radiating part 212a First outlet (outlet side)
212b Second outlet (exit side)

Claims (6)

高温側熱源をエンジン(10)からの排気ガスとし、低温側熱源をラジエータ(21)によって冷却される前記エンジン(10)の冷却水とし、熱電素子(111)によって発電を行う熱電発電装置において、
前記エンジン(10)作動時における前記ラジエータ(21)の放熱能力(Qr)から、前記エンジン(10)の冷却損失分(Qe)を除いたラジエータ余裕放熱能力(ΔQx)が大きくなる程、前記熱電素子(111)に生ずる温度差が大きくなるように、前記熱電素子(111)への前記排気ガスあるいは前記冷却水の少なくとも一方の供給条件を可変する可変手段を設けたことを特徴とする熱電発電装置。
In the thermoelectric power generation apparatus that generates power by the thermoelectric element (111) using the high temperature side heat source as exhaust gas from the engine (10), the low temperature side heat source as cooling water of the engine (10) cooled by the radiator (21),
The higher the radiator margin heat dissipation capacity (ΔQx) excluding the cooling loss (Qe) of the engine (10) from the heat dissipation capacity (Qr) of the radiator (21) when the engine (10) is operated, the greater the thermoelectric power. A thermoelectric generator characterized in that a variable means for changing a supply condition of at least one of the exhaust gas or the cooling water to the thermoelectric element (111) is provided so that a temperature difference generated in the element (111) becomes large. apparatus.
前記可変手段は、前記排気ガスが流通する本流路(11)から分岐する分岐流路(112)と、
前記分岐流路(112)を開閉する開閉弁(112a)と、
前記開閉弁(112a)の開度を制御する制御装置(120)とを有し、
前記熱電素子(111)には前記分岐流路(112)に供給される前記排気ガスによって前記高温側熱源を成すようにし、
前記制御装置(120)は、前記ラジエータ余裕放熱能力(ΔQx)が大きくなる程、前記開閉弁(112a)の開度を大きくする側に制御することを特徴とする請求項1に記載の熱電発電装置。
The variable means includes a branch channel (112) branched from the main channel (11) through which the exhaust gas flows,
An on-off valve (112a) for opening and closing the branch channel (112);
A control device (120) for controlling the opening degree of the on-off valve (112a),
The thermoelectric element (111) forms the high temperature side heat source by the exhaust gas supplied to the branch flow path (112),
2. The thermoelectric power generation according to claim 1, wherein the controller (120) controls the opening of the on-off valve (112 a) to be increased as the radiator margin heat dissipation capability (ΔQx) increases. apparatus.
前記可変手段は、前記冷却水が流通するエンジン冷却水回路(20)から分岐する分岐水流路(114)と、
前記分岐水流路(114)の分岐部に設けられて、前記エンジン冷却水回路(20)側および前記分岐水流路(114)側への前記冷却水の流量割合を調節する流量調節弁(114a)と、
前記流量調節弁(114a)の開度を制御する制御装置(120)とを有し、
前記熱電素子(111)には前記分岐水流路(114)に供給される前記冷却水によって前記低温側熱源を成すようにし、
前記制御装置(120)は、前記ラジエータ余裕放熱能力(ΔQx)が大きくなる程、前記流量調節弁(114a)の前記分岐水流路(114)側の開度を大きくするように制御することを特徴とする請求項1に記載の熱電発電装置。
The variable means includes a branched water flow path (114) branched from an engine cooling water circuit (20) through which the cooling water flows.
A flow rate adjustment valve (114a) provided at a branch portion of the branch water flow channel (114) and configured to adjust a flow rate ratio of the cooling water to the engine cooling water circuit (20) side and the branch water flow channel (114) side. When,
A control device (120) for controlling the opening of the flow rate control valve (114a),
The thermoelectric element (111) forms the low temperature side heat source by the cooling water supplied to the branch water channel (114),
The control device (120) controls to increase the opening degree of the flow rate control valve (114a) on the branch water flow path (114) side as the radiator marginal heat radiation capability (ΔQx) increases. The thermoelectric generator according to claim 1.
前記熱電素子(111)の低温側熱源は、前記ラジエータ(21)を通過した後の冷却水によって形成されることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の熱電発電装置。   The thermoelectric generator according to any one of claims 1 to 3, wherein the low temperature side heat source of the thermoelectric element (111) is formed by cooling water after passing through the radiator (21). 前記エンジン冷却水回路(20)中で、前記ラジエータ(21)の上流側および前記流量調節弁(114a)の下流側を結ぶバイパス流路(22)と、
前記制御装置(120)によって制御されると共に、前記バイパス流路(22)下流側および前記エンジン冷却水回路(20)の合流点に設けられ、前記合流点から前記ラジエータ(21)へ向かう流路、前記バイパス流路(22)、前記合流点から前記エンジン(10)に戻る流路同士の連通状態を切替える切替え弁(24)とを設けたことを特徴とする請求項4に記載の熱電発電装置。
A bypass flow path (22) connecting the upstream side of the radiator (21) and the downstream side of the flow rate control valve (114a) in the engine coolant circuit (20);
A flow path that is controlled by the control device (120) and that is provided on the downstream side of the bypass flow path (22) and the merging point of the engine coolant circuit (20), and is directed from the merging point to the radiator (21). The thermoelectric power generation according to claim 4, further comprising a switching valve (24) for switching a communication state between the bypass flow path (22) and the flow path returning from the junction to the engine (10). apparatus.
前記ラジエータ(21)の放熱部(211)は、所定放熱能力を確保する第1放熱部(211a)と、残りの第2放熱部(211b)とに分割されており、
前記第1放熱部(211a)を通過した前記冷却水の出口側(212a)は、前記流量調節弁(114a)の下流側に接続され、
前記第2放熱部(211b)を通過した前記冷却水の出口側(212b)は、前記流量調節弁(114a)に接続されたことを特徴とする請求項4または請求項5に記載の熱電発電装置。
The radiator (21) has a heat radiating portion (211) divided into a first heat radiating portion (211a) that secures a predetermined heat radiating capacity and a remaining second heat radiating portion (211b).
The outlet side (212a) of the cooling water that has passed through the first heat radiation part (211a) is connected to the downstream side of the flow rate control valve (114a),
The thermoelectric power generation according to claim 4 or 5, wherein an outlet side (212b) of the cooling water that has passed through the second heat radiating portion (211b) is connected to the flow control valve (114a). apparatus.
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