JP4114535B2

JP4114535B2 - 熱電発電装置

Info

Publication number: JP4114535B2
Application number: JP2003128301A
Authority: JP
Inventors: 保利山中; 浩生山口
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-05-06
Filing date: 2003-05-06
Publication date: 2008-07-09
Anticipated expiration: 2023-05-06
Also published as: JP2004332596A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
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、エンジンからの排気ガスを排出する排気管の外表面に、熱電素子の一側面を接触させて取付けると共に、熱電素子の他側面を水冷式や空冷式の冷却部に接触させ、熱電素子の一側面と他側面との温度差に応じた起電力を発生させるものである。
【０００３】
ここでは、排気ガスが下流側に向けて温度低下していくことから、排気ガスの上流側に高温用熱電素子を設置すると共に、排気ガスの下流側に低温用熱電素子を配置することで、耐久性に優れ、大きな発電出力が得られる熱電発電装置としている。
【０００４】
一方、排気ガスを用いた技術として、特許文献２に示されるように、ＥＧＲガス冷却装置が知られている。これは、排気ガスの一部を吸気側に導入することでエンジンの燃焼温度を低下させて排気ガス中のＮＯ_Ｘを低減する際に、燃焼用空気の充填効率を向上させてエンジンの出力低下を抑制するために、専用の熱交換器によって吸気側に導入する排気ガスを冷却するものである。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２８６４６９号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平９−３１０９９５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の各技術は、共に排気ガスを用いるものの、両者の間には関連性は無く、それぞれ独立したものとなっている。特にＥＧＲガス冷却装置においては、専用の熱交換器を設けるためにコスト増を招き、また搭載スペースの確保が必要となる。
【０００８】
本発明の目的は、上記問題および熱電発電装置において排気ガスが冷却部によって熱交換され温度低下される点に着目し、比較的簡素な構成でＥＧＲガス冷却機能を備える熱電発電装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
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。
【００１０】
請求項１に記載の発明では、高温側熱源を車両のエンジン（１０）からの排気ガスとし、低温側熱源を冷却用流体として、熱電素子（１１１）によって発電を行う熱電発電装置において、熱電素子（１１１）を通過した後の排気ガスの一部をエンジン（１０）の吸気側（１２）に導く導入流路（１１３）と、導入流路（１１３）を開閉する導入開閉弁（１１３ａ）と、エンジン（１０）の負荷状態に応じて、導入開閉弁（１１３ａ）の開度を制御する制御装置（１２０）と、排気ガスが流通する本流路（１１）に対して分岐、合流する分岐流路（１１２）と、制御装置（１２０）によって開度が制御されると共に、分岐流路（１１２）を開閉する分岐開閉弁（１１２ａ）とを設け、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ており、制御装置（１２０）は、エンジン（１０）の負荷が低くなるにつれて、分岐開閉弁（１１２ａ）および導入開閉弁（１１３ａ）の開度を大きくする側に制御することを特徴としている。
【００１１】
これにより、熱電素子（１１１）によって排気ガスを活用した発電を可能とすると共に、エンジン（１０）の負荷状態に応じて、熱電素子（１１１）を通過する際に温度低下される排気ガスを吸気側（１２）に供給することができ、専用の熱交換器を用意する事無く、ＥＧＲガスの冷却機能を持たせることができる。
【００１２】
そして、制御装置（１２０）は、エンジン（１０）の負荷が低くなるにつれて、分岐開閉弁（１１２ａ）および導入開閉弁（１１３ａ）の開度を大きくする側に制御することで、特に低負荷時に必要とされる発電機能とＥＧＲガスの冷却機能を同時に働かすことができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明では、本流路（１１）あるいは分岐流路（１１２）の発電素子（１１１）の下流側には、排気ガスを浄化する触媒が設けられており、制御装置（１２０）は、排気ガスの温度から触媒が不活性状態にあると判定した時に、分岐開閉弁（１１２ａ）を閉じる側に制御することを特徴としている。
【００１４】
これにより、熱電素子（１１１）による排気ガスの温度低下を伴わないようにすることができるので、触媒の活性化時間を悪化させることが無い。
【００１５】
請求項３に記載の発明では、冷却用流体は、エンジン（１０）を冷却する冷却水としたことを特徴としている。
【００１６】
これにより、エンジン冷却水回路（２０）の冷却水を流用して安定した低温側熱源を形成することができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明では、車両は、エンジン（１０）を冷却するエンジン冷却水回路（２０）に加えて、走行用モータ（４０）を回転数可変に作動制御するインバータ（５０）冷却用のインバータ冷却水回路（６０）を有し、冷却用流体は、エンジン冷却水回路（２０）とインバータ冷却水回路（６０）のうち、インバータ冷却水回路（６０）の冷却水としたことを特徴としている。
【００１８】
これにより、エンジン冷却水回路（２０）とインバータ冷却水回路（６０）とでは、通常インバータ冷却水回路（６０）の方が冷却水温度が低く設定されるので、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（発電効率）を増加させることができる。
【００１９】
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。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（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による本来の発電機能に加えて、発電後の排気ガスを用いたＥＧＲ（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）ガスの冷却機能を持たせたものとしている。まず、図１を用いてその基本構成について説明する。
【００２１】
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とが設けられている。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が設けられており、吸入空気量の調整が行われる。
【００２２】
そして、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。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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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の上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。
【００２８】
そして、本発明の特徴部として、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（本発明の吸気側に対応）１２に連通する導入流路１１３が設けられるようにしている。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。
【００２９】
また、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。ここで排気ガス温度は、エンジン１０作動時の負荷状態を示す代表特性として用いるようにしている。即ち、排気ガス温度が低い程、エンジン１０の作動負荷は低く、また、排気ガス温度が高い程、エンジン１０の作動負荷が高いものとして捕らえるようにしている。
【００３０】
制御装置１２０は、上記排気温センサ１３０の検出温度に基づいて、分岐開閉弁１１２ａおよび導入開閉弁１１３ａの開度を制御するものとして設けられている。具体的には、検出温度（排気ガス温度）が低い程、両開閉弁１１２ａ、１１３ａの開度を大きくし、逆に検出温度（排気ガス温度）が高くなる程、両開閉弁１１２ａ、１１３ａの開度を小さくするように予め設定している。
【００３１】
次に、上記構成に基づく作動について説明する。本発明の熱電発電装置１００においては、冒頭で説明したように発電機能およびＥＧＲガスの冷却機能を備えており、まず発電機能について説明する。
【００３２】
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、着火燃焼される。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、ヒータ温水回路３０および冷却水配管１１４を循環する。
【００３３】
制御装置１２０は、排気温センサ１３０から得られる排気ガスの温度信号に応じて、分岐開閉弁１１２ａおよび導入開閉弁１１３ａの開度を調整する。即ち、エンジン１０の作動負荷が低く、排気ガス温度が低い状態にあると、制御装置１２０は、分岐開閉弁１１２ａの開度を大きくする。すると、排気管１１を流れる排気ガスの一部は分岐流路１１２側により多く流入する。この時、熱電素子１１１は、分岐流路１１２の排気ガスおよび冷却配管１１４の冷却水によって温度差が与えられることになり発電する。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。
【００３４】
また、エンジン１０の作動負荷が高くなり、排気ガス温度が高くなるにつれて、制御装置１２０は、分岐開閉弁１１２ａの開度を小さくしていく。すると、分岐流路１１２側を流通する排気ガス量が減少され、熱電素子１１１による発電作用は抑制される。
【００３５】
次に、ＥＧＲガスの冷却機能について説明する。上記のように熱電素子１１１によって発電が行われる際に、排気ガスは対向する側の冷却水配管１１４の冷却水によって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、分岐開閉弁１１２ａと共に開度が大きくされる導入開閉弁１１３ａから導入流路１１３を流通して、吸入管１２内に流入する。
【００３６】
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_Ｘ濃度を低下させる。
【００３７】
また、エンジン１０の作動負荷に伴って、排気ガス温度が高くなるにつれて、制御装置１２０は、分岐開閉弁１１２ａと共に導入開閉弁１１３ａの開度を小さくしていく。すると、導入流路１１３側を流通する排気ガス量が減少され、ＥＧＲガスの冷却作用は抑制される。
【００３８】
尚、例えば、エンジン１０の始動後に、排気ガス温度が所定判定温度より低く、図示しない排ガス浄化用の触媒が活性状態に至らない時は、制御装置１２０は分岐開閉弁１１２ａを閉じ、熱伝素子１１１による発電を停止させる。即ち、発電時における排気ガスの温度低下を抑えて、触媒の活性化を優先させる。
【００３９】
このように本発明においては、熱電素子１１１によって排気ガスを活用した発電を可能とする。加えて、熱電素子１１１を通過した後の排気ガスの一部を吸気側に導く導入流路１１３を設けているので、冷却水配管１１４中の冷却水によって冷却される排気ガスを吸気管１２内に供給することができ、専用の熱交換器を用意する事無く、ＥＧＲガスの冷却機能を持たせることができる。
【００４０】
更に詳述すると、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。そして、排気ガスが吸入管１２内に導入されることでエンジン１０のポンピングロスが低減される。また、排気ガスから吸熱した冷却水配管１１４の冷却水によってエンジン１０の暖機が促進され、フリクションロスの低減が図れ、総じてエンジン１０の燃費を向上させることができる。加えて、排気ガスから吸熱した冷却水配管１１４の冷却水によってヒータコア３１の暖房性能立ち上がり特性を向上させることができる。
【００４１】
また、制御装置１２０は、エンジン１０の作動負荷が低くなるにつれて、分岐開閉弁１１２ａおよび導入開閉弁１１３ａの開度を大きくする側に制御するようにしているので、特に低負荷時に必要とされる発電機能とＥＧＲガスの冷却機能を同時に働かすことができる。
【００４２】
尚、排気ガス温度が低く触媒が不活性状態にある時に、制御装置１２０は分岐開閉弁１１２ａを閉じる側に制御するようにしているので、熱電素子１１１による排気ガスの温度低下を抑制して、触媒の活性化時間を悪化させることが無い。
【００４３】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図２に示す。第２実施形態は、エンジン１０に加えて、走行用モータ４０を有するハイブリッド車両に適用したものとしている。
【００４４】
走行用モータ４０は、図示しないバッテリの電力を受けて作動し、インバータ５０によって回転数が制御される。ハイブリッド車両においては、車両の走行条件に応じて、エンジン１０と走行用モータ４０とが走行用駆動源として使い分けられる。そして、インバータ５０、走行用モータ４０、バッテリ（図示せず）には制御時や作動時に生ずる各種発熱分を冷却するためのインバータ冷却水回路６０が設けられている。
【００４５】
インバータ冷却水回路６０には、インバータ用ラジエータ６１が配設され、電動ポンプ６３によって冷却水が循環されるようにしている。そして、熱電発電器１１０用の冷却水配管１１４が、電動ポンプ６３の上流側および下流側に接続されるようにしており、冷却水配管１１４の電動ポンプ６３の上流側には、排気ガスからの吸熱分を放熱するための熱電発電用ラジエータ６２が設けられている。因みに、インバータ冷却水回路６０のインバータ用ラジエータ６１の上流側には、冷却水の温度変化に伴う膨張収縮分を吸収するためのリザーブタンク６４が設けられている。
【００４６】
この第２実施形態における作動は、基本的に上記第１実施形態と同一であるが、冷却水配管１１４にインバータ冷却水回路６０の冷却水を用いることによって発電量の向上が得られるものとしている。
【００４７】
即ち、エンジン冷却水回路２０においては、エンジン１０を好適な作動状態に維持するために、ラジエータ２１、サーモスタット２３の仕様設定により、冷却水温度は通常９０℃〜１１０℃となるようにしている。一方、インバータ冷却水回路６０においては、インバータ５０、走行用モータ４０、バッテリ（図示せず）等の寿命を確実に確保するために、通常６０℃レベルに維持されるようにしている。
【００４８】
よって、熱電発電器１１０にエンジン冷却水回路２０の冷却水を用いた上記第１実施形態に対して、インバータ冷却水回路６０の冷却水を用いることで熱電素子１１１における排気ガスと冷却水との温度差を大きくすることができるので、熱電素子１１１による発電量（発電効率）を増加させることができる。
【００４９】
尚、インバータ用ラジエータ６１と熱電発電用ラジエータ６２は、個々に設ける事無く、１つに統合したものとして設定しても良く、これによれば、基本の体格は大きくなるものの、ラジエータタンクの必要数を低減して、また両ラジエータ６１、６２間のデッドスペースを無くして、トータル的に安価で熱交換効率の高いラジエータとすることができる。
【００５０】
（その他の実施形態）
上記第１、第２実施形態では、エンジン１０の作動負荷状態を排気温センサ１３０を用いて、排気ガスの温度から把握するものとして説明したが、これに限らず、排気ガス中のＯ_２濃度や吸気管１２における吸気圧力等を用いるようにしても良い。
【００５１】
また、熱電素子１１１の低温側熱源を成す冷却用流体としては、エンジン冷却水回路２０あるいはインバータ冷却水回路６０の冷却水に代えて、例えば外気を用いたもの（空冷式）としても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】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。
【図２】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。
【符号の説明】
１０エンジン
１１排気管（本流路）
１２吸気管（吸気側）
２０エンジン冷却水回路
４０走行用モータ
５０インバータ
６０インバータ冷却水回路
１００熱電発電装置
１１１熱電素子
１１２分岐流路
１１２ａ分岐開閉弁
１１３導入流路
１１３ａ導入開閉弁
１２０制御装置

Claims

高温側熱源を車両のエンジン（１０）からの排気ガスとし、低温側熱源を冷却用流体として、熱電素子（１１１）によって発電を行う熱電発電装置において、
前記熱電素子（１１１）を通過した後の前記排気ガスの一部を前記エンジン（１０）の吸気側（１２）に導く導入流路（１１３）と、
前記導入流路（１１３）を開閉する導入開閉弁（１１３ａ）と、
前記エンジン（１０）の負荷状態に応じて、前記導入開閉弁（１１３ａ）の開度を制御する制御装置（１２０）と、
前記排気ガスが流通する本流路（１１）に対して分岐、合流する分岐流路（１１２）と、
前記制御装置（１２０）によって開度が制御されると共に、前記分岐流路（１１２）を開閉する分岐開閉弁（１１２ａ）とを設け、
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ており、
前記制御装置（１２０）は、前記エンジン（１０）の負荷が低くなるにつれて、前記分岐開閉弁（１１２ａ）および前記導入開閉弁（１１３ａ）の開度を大きくする側に制御することを特徴とする熱電発電装置。
前記本流路（１１）あるいは前記分岐流路（１１２）の前記発電素子（１１１）の下流側には、前記排気ガスを浄化する触媒が設けられており、
前記制御装置（１２０）は、前記排気ガスの温度から前記触媒が不活性状態にあると判定した時に、前記分岐開閉弁（１１２ａ）を閉じ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。
前記冷却用流体は、前記エンジン（１０）を冷却する冷却水としたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電発電装置。
前記車両は、前記エンジン（１０）を冷却するエンジン冷却水回路（２０）に加えて、走行用モータ（４０）を回転数可変に作動制御するインバータ（５０）冷却用のインバータ冷却水回路（６０）を有し、
前記冷却用流体は、前記エンジン冷却水回路（２０）と前記インバータ冷却水回路（６０）のうち、前記インバータ冷却水回路（６０）の冷却水としたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電発電装置。