JP4196737B2

JP4196737B2 - 排気システム

Info

Publication number: JP4196737B2
Application number: JP2003158088A
Authority: JP
Inventors: 清仁村田; 昭一岩本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-06-03
Filing date: 2003-06-03
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2023-06-03
Also published as: JP2004360522A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガスを触媒により浄化するとともに排気ガスの熱エネルギによって発電する排気システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンから排出される排気ガスは、有害物質（一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物等）を含んでいる。そのため、排気系には三元触媒等の触媒からなる触媒装置が設けられ、この触媒装置によって排気ガスを浄化している。このような触媒は、活性温度（例えば、３５０℃〜８００℃）を有し、触媒温度が活性温度内の場合に浄化作用がある。
【０００３】
また、排気ガスは、エンジンの出力が大きくなるほど多量の熱エネルギを含んでおり、熱エネルギに応じてガス温度が高くなる。この熱エネルギは、その一部が触媒装置の触媒温度を活性温度まで上昇させるために利用されるが、この昇温に利用されなかった熱エネルギの殆どが回収されることなく放散される。そこで、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換することによって、排気ガスの熱エネルギを回収する排熱発電装置が開発されている。排熱発電装置では、排気ガスが流れる排気管（高温側）と冷却部（低温側）との間に熱電変換モジュールを配置し、この高温側と低温側との温度差に応じて熱電変換モジュールの各熱電素子で発電している。この排熱発電装置における熱電変換効率を向上させるためには、高温側の温度を上げるとともに、高温側と低温側との温度差を大きくする必要がある。
【０００４】
触媒装置では、エンジンのコールドスタート等の触媒温度が低温時には触媒温度を活性温度まで迅速に上昇させる必要がある。そこで、従来の排気システムでは、触媒装置をエキゾーストマニホールドの直下等の排気系において排気ガスの放熱ロスが少ない箇所に配置し、排熱発電装置をその下流側に配置していた（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−１９５７６５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかながら、触媒装置の下流側に排熱発電装置を配置する構成では、排気ガスの熱エネルギが触媒装置での昇温に利用されたり、排気通路内を流れている時に放散するので、熱エネルギが減少し、排気温度も低くなる。そのため、排熱発電装置では、熱電変換効率が低下し、熱エネルギの回収効率も低くなってしまう。特許文献１に記載されている発明でも、触媒装置の下流に２つに排熱回収手段が配置されているので、その回収効率は低くなる。
【０００７】
また、触媒装置をエキゾーストマニホールドの直下等の排気系の上流側に配置する構成では、触媒が熱劣化する恐れがある。というのは、エキゾーストマニホールドの直下等では排気ガスの放熱ロスが殆どないので、エンジンが高出力時には排気ガスの熱エネルギが多く、高温の排気ガスによって触媒温度も非常に高温となる。触媒温度が活性温度を超えると、浄化作用が低下し、触媒が熱劣化する。特許文献１に記載されている発明でも、触媒装置が上流に配置されているので、触媒が熱劣化する恐れがある。
【０００８】
そこで、本発明は、排熱発電の回収効率を向上させるとともに触媒の熱劣化も防止する排気システムを提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る排気システムは、内燃機関から排出された排気ガスを触媒により浄化するとともに排気ガスの熱エネルギによって発電する排気システムであって、排気ガスを触媒により浄化する第１排気浄化手段と、第１排気浄化手段の下流側に配置され、排気ガスを触媒により浄化する第２排気浄化手段と、第２排気浄化手段の上流側に配置され、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する第１熱電変換部と、第１熱電変換部の一端面に排気ガスの熱エネルギを伝導する第１熱交換部と、第１熱電変換部の他端面を冷却する第１冷却部とを有する第１排熱発電手段と、第１排気浄化手段の下流側に配置され、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する第２熱電変換部と、第２熱電変換部の一端面に排気ガスの熱エネルギを伝導する第２熱交換部と、第２熱電変換部の他端面を冷却する第２冷却部とを有する第２排熱発電手段と、第１排気浄化手段と第２排熱発電手段の第２熱交換部とに排気ガスを流す第１排気通路と、第２排気浄化手段と第１排熱発電手段の第１熱交換部とに排気ガスを流す第２排気通路と、第１排気通路と第２排気通路とを切り換える切換手段と、切換手段の切り換えを制御する制御手段とを備え、制御手段は、内燃機関が低出力の場合には切換手段によって第１排気通路に切り換え、内燃機関が低出力でない場合には切換手段によって第２排気通路に切り換えることを特徴とする。
【００１０】
この排気システムでは、内燃機関が低出力の場合、制御手段が切換手段によって第１排気通路に切り換え、まず、第１排気浄化手段に排気ガスを流し、その後に、その下流側に位置する第２排熱発電手段の第２熱交換部に排気ガスを流す。低出力時には排気ガスの熱エネルギが少ないが、排気系の上流側において、第１排気浄化手段が、排気ガスの熱エネルギを優先的に利用し、排気ガスを浄化する。第１排気浄化手段で回収されなかった排気ガスの熱エネルギがあった場合、第１排気浄化手段の下流側において、第２排熱発電手段が、第２熱交換部によってその排気ガスの熱エネルギを第２熱電変換部の一端面まで伝導するとともに第２冷却部によって第２熱電変換部の他端面を冷却し、第２熱電変換部によって発電する。そのため、内燃機関のコールドスタート時でも、第１排気浄化手段において触媒温度を活性温度まで迅速に上昇させ、早期に排気ガスを浄化することができる。さらに、低出力で排気ガスの熱エネルギは少ないが、第２排熱発電手段によって第１排気浄化手段で回収しなかった排気ガスの熱エネルギを無駄なく回収できるので、回収効率が高くなる。また、この排気システムでは、内燃機関が低出力でない場合、制御手段が切換手段によって第２排気通路に切り換え、まず、第１排熱発電手段の第１熱交換部に排気ガスを流し、その後に、下流側に位置する第２排気浄化手段に排気ガスを流す。低出力でない時には下流側の第２排気浄化手段でも触媒温度が活性温度に達しているので、上流側において、第１排熱発電手段が、第１熱交換部によってその排気ガスの熱エネルギを第１熱電変換部の一端面まで伝導するとともに第１冷却部によって第１熱電変換部の他端面を冷却し、第１熱電変換部によって発電する。そして、下流側において、第２排気浄化手段が、排気ガスを浄化する。そのため、低出力でない場合の多量の排気ガスの熱エネルギを放熱等によって低減する前に、上流側の第１排熱発電手段で優先的に熱エネルギを回収するので、回収効率が高くなる。さらに、第１排熱発電手段で熱エネルギを回収してから第２排気浄化手段に排気ガスが流れるので、第２排気浄化手段の触媒が高温になるのを抑制し、触媒の熱劣化を防止することができる。また、第１排気浄化手段でも、排気ガスの熱エネルギの少ない低出力時にしか排気ガスが流れないので、触媒の熱劣化を防止することができる。切換手段に対する切換制御は、内燃機関の出力状態を示すパラメータに基づいて行われ、例えば、排気ガスの温度、熱交換部の温度等に基づいて行う。
【００１１】
本発明の上記排気システムでは、第１排気浄化手段は、第２排気浄化手段より小さいと好適である。
【００１２】
この排気システムでは、第１排気浄化手段を第２排気浄化手段より小さく構成し、その触媒の熱容量を少なくする。したがって、第１排気浄化手段では、触媒温度の昇温が促進され、少ない熱エネルギでも触媒温度の上昇が早くなる。そのため、内燃機関のコールドスタート時でも、排気ガスの熱エネルギが少ないにもかかわらず、触媒温度が活性温度に達する時間が短くなる。
【００１３】
本発明の上記排気システムでは、第１排熱発電手段及び／又は第２排熱発電手段は、周方向に複数個配置され、第１排熱発電手段が周方向に複数個配置される場合には第１触媒浄化手段の周りに複数個の第１熱交換部を配置し、第２排熱発電手段が周方向に複数個配置される場合には第２触媒浄化手段の周りに複数個の第２熱交換部を配置するように構成してもよい。
【００１４】
この排気システムでは、周方向に複数個配置された第１熱交換部の内側に第１触媒浄化手段が配置されている場合（つまり、第１触媒浄化手段が複数個の第１熱交換部に囲まれている場合）、内燃機関の低出力時には、第１触媒浄化手段は、第１熱交換部の気体層とその外側の第１熱電変換部自体との２重の断熱効果を受けるので、放熱が抑制される。そのため、排気ガスの熱エネルギの放熱によるロスが低減し、触媒温度の昇温が促進される。また、この排気システムでは、周方向に複数個配置された第２熱交換部の内側に第２触媒浄化手段が配置されている場合（つまり、第２触媒浄化手段が複数個の第２熱交換部に囲まれている場合）、内燃機関の低出力でない時には、第２排熱発電手段は、第２触媒浄化手段から放散される排気ガスの熱エネルギを第２熱交換部によって第２熱電変換部に伝導し、第２熱電変換部で発電する。そのため、第２排気浄化手段において触媒温度が活性温度に達していて、熱エネルギを必要としない場合でも、その第２排気浄化手段からの放熱を第２排熱発電手段で回収するので、回収効率が更に向上する。
【００１５】
本発明の上記排気システムでは、切換手段は、第１排気通路を開閉する第１バルブと、第２排気通路を開閉する第２バルブと、第１バルブと第２バルブとが取り付けられる回転軸とを有し、回転軸が回転することによって、第１排気通路の開閉と第２排気通路の開閉とが逆になるように構成してもよい。
【００１６】
この排気システムでは、第１排気通路を開閉する第１バルブと第２排気通路を開閉する第２バルブとが同じ回転軸で回転し、第１バルブが第１排気通路を開いた場合には第２バルブが第２排気通路を閉じ、第１バルブが第１排気通路を閉じた場合には第２バルブが第２排気通路を開く。そのため、第１バルブ及び第２バルブを開閉動作させるための駆動手段等が１つでよいので、部品点数が削減し、切換手段への制御も１系統でよく、システム構成が簡素化する。
【００１７】
本発明の上記排気システムでは、第１冷却部及び第２冷却部に冷媒を供給する排熱発電用ラジエータを備え、制御手段は、第１冷却部に流す冷媒の流量及び第２冷却部に流す冷媒の流量を制御する構成としてもよい。
【００１８】
この排気システムは、制御手段が排熱発電用ラジエータから第１冷却部及び第２冷却部に流す冷媒の流量を各々制御し、第１排熱発電手段及び第２排熱発電手段での発電を制御する。この冷媒の流量制御は、例えば、熱交換部の温度、排熱発電手段の発電量、スロットルバルブの開度、アクセルペダルの操作量等に基づいて行う。この具体的な制御としては、例えば、内燃機関のコールドスタート時には、第１冷却部及び第２冷却部に冷媒を流すのを停止し、熱伝導による放熱を防止し、第１排気浄化手段において排気ガスの熱エネルギを効率良く利用できる。また、熱交換部の温度が所定温度以上になった場合に第１冷却部及び第２冷却部への冷媒の供給を開始し、熱電変換部の一端面と他端面との温度差を大きくし、熱電変換効率を向上させることができる。また、内燃機関の停止後も熱交換部が熱エネルギを蓄えている間は第１冷却部及び第２冷却部に冷媒を供給し、発電を継続し、回収効率を向上させる。このように、第１冷却部及び第２冷却部への冷媒の流量を制御することによって、触媒温度の昇温を促進でき、回収効率を向上させることができる。
【００１９】
本発明の上記排気システムは、排熱発電用ラジエータから第１冷却部及び第２冷却部に冷媒を循環させる電動ポンプを備え、制御手段は、電動ポンプの回転数を制御するように構成してもよい。
【００２０】
この排気システムは、制御手段が排熱発電用ラジエータから第１冷却部及び第２冷却部に冷媒を循環させる電動ポンプの回転数を制御することによって、第１冷却部及び第２冷却部への冷媒の流量を調整する。ちなみに、回転数を０にすることによって、第１冷却部及び第２冷却部への冷媒の供給を停止することができる。
【００２１】
本発明の上記排気システムは、第１冷却部に流す冷媒の流量を調整する第１冷媒バルブと、第２冷却部に流す冷媒の流量を調整する第２冷媒バルブとを備え、制御手段は、第１冷媒バルブの開度及び第２冷媒バルブの開度を制御するように構成してもよい。
【００２２】
この排気システムは、制御手段が第１冷却部への冷媒の流量を調整する第１冷媒バルブの開度及び第２冷却部への冷媒の流量を調整する第２冷媒バルブの開度を制御することによって、第１冷却部及び第２冷却部への冷媒の流量を調整する。ちなみに、冷媒バルブを全閉にすることによって、第１冷却部及び第２冷却部への冷媒の供給を停止することができる。
【００２３】
本発明の上記排気システムは、排熱発電用ラジエータの冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段を備え、制御手段は、冷媒温度検出手段で検出した冷媒温度に基づいて、排熱発電用ラジエータのファンの回転数を制御するように構成してもよい。
【００２４】
この排気システムは、制御手段が冷媒温度検出手段で検出した排熱発電用ラジエータの冷媒温度に基づいて排熱発電用ラジエータのファンの回転数を制御することによって、冷媒温度を適正な温度に調整する。例えば、冷媒温度が所定温度以上になった場合には、ファンを回転させて冷媒の温度を低下させ、熱電変換部の一端面と他端面との温度差を大きくし、熱電変換効率を向上させる。
【００２５】
本発明の上記排気システムは、内部が分割構造であり、排熱発電用ラジエータと内燃機関用ラジエータとが分離して設けられるラジエータと、排熱発電用ラジエータの冷媒の供給先を第１冷却部及び第２冷却部と内燃機関とに切り換える冷媒切換バルブとを備え、制御手段は、冷媒切換バルブの切り換えを制御するように構成してもよい。
【００２６】
この排気システムは、排熱発電用と内燃機関用とが一体となったラジエータを備えている。このラジエータでは、その内部の分割構造によって排熱発電用ラジエータと内燃機関用ラジエータとが分離独立しており、第１冷却部及び第２冷却部と内燃機関とに分けて冷媒を供給できる。さらに、排気システムは、排熱発電用ラジエータの冷媒の供給先を２つの冷却部から内燃機関に切り換える冷媒切換バルブを備えている。そして、排気システムでは、制御手段が冷媒切換バルブの切り換えを制御し、排熱発電用ラジエータの冷媒を内燃機関に流すこともできる。例えば、登坂等の高負荷の場合、内燃機関では大きな冷却能力が必要となるので、排熱発電用ラジエータの冷媒も内燃機関の冷却に利用し、内燃機関のオーバヒートを防止することができる。一方、通常運転等の高負荷でない場合、内燃機関では大きな冷却能力を必要としないので、排熱発電用ラジエータの冷媒を第１熱電変換部及び第２熱電変換部の冷却に利用し、発電を促進する。このように、内燃機関が高負荷の場合には排熱発電用ラジエータの冷媒を利用できるので、内燃機関用ラジエータを高負荷に対応して大型化する必要はなく、一体化したラジエータを高負荷に対応した大きさとすればよい。したがって、排熱発電手段を備えない場合の通常の大きさのラジエータを分割し、排熱発電用ラジエータと内燃機関用ラジエータとを構成しても十分に対応可能である。ちなみに、登坂等の高負荷の頻度は極端に少なく、高負荷以外の頻度が多いので、排熱発電用ラジエータを殆ど発電に利用できる。また、高負荷の場合には、排気ガスの熱エネルギも多いので、発電変換効率は良くないが、発電量自体は多い。
【００２７】
本発明の上記排気システムは、第１排熱発電手段及び／又は第２排熱発電手段は、周方向に複数個配置され、第１排熱発電手段が周方向に複数個配置される場合、第１触媒浄化手段の周りに複数個の第１排熱発電手段を配置し、各第１排熱発電手段の第１冷却部の外側に第１弾性部を配置し、当該第１弾性部により当該第１冷却部を外側から押圧して第１熱電変換部を固定し、第２排熱発電手段が周方向に複数個配置される場合、第２触媒浄化手段の周りに複数個の第２排熱発電手段を配置し、各第２排熱発電手段の第２冷却部の外側に第２弾性部を配置し、当該第２弾性部により当該第２冷却部を外側から押圧して第２熱電変換部を固定するように構成してもよい。
【００２８】
この排気システムでは、第１排熱発電手段及び／又は第２排熱発電手段が周方向に複数個配置されている。第１排熱発電手段が周方向に複数個配置されている場合、周方向に配置されている第１排熱発電手段の内側に第１触媒浄化手段が配置されるとともに第１冷却部の外側に第１弾性部が配置され、この第１弾性部により第１冷却部を外側から押圧して第１熱電変換部を固定する。また、第２排熱発電手段が周方向に複数個配置されている場合、周方向に配置されている第２排熱発電手段の内側に第２触媒浄化手段が配置されるとともに第２冷却部の外側に第２弾性部が配置され、この第２弾性部により第２冷却部を外側から押圧して第２熱電変換部を固定する。この排気システムでは、第１弾性部や第２弾性部の作用により、小さいばね定数で熱電変換部を熱交換部と冷却部との間に押えつけるとともに熱交換部及び冷却部から適切な面圧力を熱電変換部に加えることによって熱電変換部を固定する。そのため、熱電変換部の高温側（熱交換部）と低温側（冷却部）との間でその温度差による熱膨張の差によって歪が発生しても、小さいばね定数によって歪を吸収することができる。
【００２９】
本発明の上記排気システムでは、第１弾性部及び／又は第２弾性部は、押圧部材を有し、押圧部材が点接触又は線接触すると好適である。
【００３０】
この排気システムは、弾性部において押圧部材が点接触又は線接触しているので、熱により歪等が発生して弾性部による冷却部への押圧箇所が位置ずれしても、弾性部から冷却部に（ひいては、冷却部から熱電変換部に）面圧力を均一に与えることができる。そのため、冷却部と熱電変換部との面当りが均一化し、冷却部と熱電変換部との間の面接触性が良くなる。
【００３１】
本発明の上記排気システムでは、第１弾性部及び／又は第２弾性部は、弾性力をもつクランプ部材を有し、クランプ部材により周方向に配置された第１冷却部又は第２冷却部を外側から押圧するように構成してもよい。
【００３２】
この排気システムでは、弾性力をもつバンド状のクランプ部材によって冷却部を押圧するので、このクランプ部材の弾性力により小さいばね定数で熱電変換部を熱交換部と冷却部との間に押えつけることができ、熱交換部及び冷却部から適切な面圧力を熱電変換部に加えることができる。
【００３３】
本発明の上記排気システムでは、周方向に複数個配置されている第１排熱発電手段及び／又は第２排熱発電手段は、周方向に配置されるいずれの第１熱電変換部又は第２熱電変換部の中心線でも対称構造とすると好適である。
【００３４】
この排気システムでは、周方向に複数個配置されている第１排熱発電手段及び／又は第２排熱発電手段が周方向に配置されるいずれの第１熱電変換部又は第２熱電変換部の中心線でも対称構造となっている。つまり、同形状の排熱発電手段が、排気浄化手段を中心にして、偶数個配置される。このように対称構造とすることによって、排気ガスが外側に向かって均等に流れ、熱エネルギが均一に分散し、発電変換効率が向上する。
【００３５】
本発明の上記排気システムは、周方向に複数個配置されている第１排熱発電手段の内側に配置される第１触媒浄化手段及び／又は周方向に複数個配置されている第２排熱発電手段の内側に配置される第２触媒浄化手段は、触媒セルを形成するための複数の縦方向骨格部材と複数の横方向骨格部材とを有し、縦方向骨格部材は排気ガスの流れ方向に対して略直交する面において第１熱電変換部又は第２熱電変換部に対して略直交方向に配置され、縦方向骨格部材の厚さが第１熱電変換部又は第２熱電変換部に近いほど太いと好適である。
【００３６】
この排気システムでは、周方向に複数個配置されている熱交換部の内側に配置される触媒浄化手段において複数の縦方向骨格部材と複数の横方向骨格部材とが交差し、その縦方向骨格部材及び横方向骨格部材に触媒が担持されて触媒セルを形成している。この縦方向骨格部材が排気ガスの流れ方向に対して略直交する面において熱電変換部に対して略直交方向に配置されることによって、排気浄化手段における排気ガスの熱エネルギの伝導方向が熱電変換部に対して略直交し、熱エネルギの伝導性が良い。また、縦方向骨格部材の厚さが熱電変換部に近いほど太くすることによって、排気浄化手段の触媒セルが熱電変換部に近いほど細くなり、排気ガスの熱エネルギの熱電変換部への指向性が良い。そのため、排気浄化手段から熱電変換部へ伝導される排気ガスの熱エネルギが増加し、排熱発電手段における発電量が増加し、回収効率が高くなる。
【００３７】
本発明の上記排気システムは、横方向骨格部材間の間隔が、第１熱電変換部又は第２熱電変換部に近いほど広いと好適である。
【００３８】
この排気システムでは、縦方向骨格部材の厚さが熱電変換部に近いほど太い上に、横方向骨格部材間の間隔が熱電変換部に近いほど広いので、排気ガスの流れ方向に対して略直交する面において触媒浄化手段のいずれの箇所でも触媒セルの面積が略均一化し、排気ガスが触媒浄化手段に均等に広がる。そのため,触媒浄化手段の全域の触媒セルで浄化が行われ、触媒浄化手段における浄化効率が向上する。
【００３９】
本発明の上記排気システムでは、第１排熱発電手段及び／又は第２排熱発電手段は、排気ガスの流れ方向に複数個配置され、第１排熱発電手段が流れ方向に複数個配置される場合、隣接する第１冷却部を屈曲自在に連結し、第２排熱発電手段が流れ方向に複数個配置される場合、隣接する第２冷却部を屈曲自在に連結するように構成してもよい。
【００４０】
この排気システムでは、第１排熱発電手段及び／又は前記第２排熱発電手段が排気ガスの流れ方向に複数個配置されている。第１排熱発電手段が流れ方向に複数個配置されている場合、隣接する第１冷却部が屈曲自在に連結されているので、隣接する第１冷却部間で位置ずれが許容される。第２排熱発電手段が流れ方向に複数個配置されている場合、隣接する第２冷却部が屈曲自在に連結されているので、隣接する第２冷却部間で位置ずれが許容される。排熱発電手段が排気ガスの流れ方向に複数個配置された場合、下流の熱交換部ほど排気ガスの熱エネルギが回収されて温度が低くなり、熱交換部では温度勾配が発生する。そのため、上流の熱交換部ほど熱膨張が大きくなり、隣接する熱交換部間で熱膨張による変形差が発生する。しかし、この排気システムでは、隣接する冷却部間での位置ずれ（ひいては、隣接する熱電変換部の位置ずれ）を許容できるので、各排熱発電手段において熱電変換部を均一に押えつけることができ、各部間で空気層が発生しない。その結果、空気層によって熱エネルギの伝導が阻害されることなく、熱電変換効率が低下しない。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係る排気システムの実施の形態を説明する。
【００４２】
本実施の形態では、本発明に係る排気システムを、自動車に搭載し、エンジンからの排気ガスを浄化するとともに排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する排気システムに適用する。本実施の形態に係る排気システムは、第１触媒装置と第２触媒装置及びその下流側に排熱発電装置を備えるとともに、第１触媒装置及び第２触媒装置に排気ガスを流す低出力用流路と高出力用流路及びこの２つの流路が合流して排熱発電装置に排気ガスを流す合流用流路を備える。本実施の形態に係る触媒装置は、排熱発電ユニットを備えており、排熱発電も行うことができる。また、本実施の形態に係る排気システムは、１つのラジエータを分割構造とし、エンジン用ラジエータの他に排熱発電用ラジエータを備える。本実施の形態には、第１触媒装置の配設箇所の違いにより２つの形態があり、第１の実施の形態ではエキゾーストマニホールドの直下に配設し、第２の実施の形態ではエキゾーストマニホールドの分岐管に各々配設する。
【００４３】
図１を参照して、第１の実施の形態に係る排気システム１の構成について説明する。図１は、第１の実施の形態に係る排気システムの一部破断正面図である。
【００４４】
排気システム１は、自動車に搭載され、４気筒のエンジン（図示せず）のエキゾーストマニホールドＥＭの下流の排気系に構成される。排気システム１は、主なものとして、排熱発電ユニットを備える第１触媒装置２、排熱発電ユニットを備える第２触媒装置３、排熱発電装置４、低出力用流路５、高出力用流路６、合流用流路７、流路切換装置８及び冷却システム９を備えている（図２０参照）。排気システム１では、第１触媒装置２がエキゾーストマニホールドＥＭの直下に配設され、その下流に第２触媒装置３が配設され、更に下流に排熱発電装置４が配設される。そして、排気システム１では、流路切換装置８によって低出力用流路５と高出力用流路６とを切り換え、いずれか一方の流路５，６によって第１触媒装置２及び第２触媒装置３に排気ガスを流し、合流用流路７によって排熱発電装置４に排気ガスを流す。
【００４５】
なお、本実施の形態では、低出力用流路５が特許請求の範囲に記載する第１排気通路に相当し、高出力用流路６が特許請求の範囲に記載する第２排気通路に相当し、流路切換装置８が特許請求の範囲に記載する切換手段に相当する。
【００４６】
図２及び図３を参照して、エキゾーストマニホールドＥＭの構造について説明する。図２は、図１のエキゾーストマニホールドの平面図である。図３は、図１のエキゾーストマニホールドの正面図である。
【００４７】
エキゾーストマニホールドＥＭは、低出力用流路５と高出力用流路６とを形成するために、二重管構造となっている。エキゾーストマニホールドＥＭは、エンジンのシリンダヘッドの取付面１０と合流部材１１との間に４つの分岐管１２，・・・が接続され、各分岐管１２，・・・の内部に内管１３，・・・が各々設けられている。合流部材１１は、中空の半球状であり、その端部には第１触媒装置２との取付部１１ａが設けられている。内管１３は、一端部が取付面１０から突出して各気筒のシリンダヘッド内まで延び（図２参照）、他端部が合流管１４の一端部に接続している（図３参照）。合流管１４は、一端部が半球状になっており、他端部が第１触媒装置２の触媒管２０ａに接続する（図７参照）。
【００４８】
内管１３，・・・及び合流管１４内に形成される流路は、低出力用流路５であり、エンジンが低出力時に排気ガスを流す。低出力時には排気ガスの温度が低いが、内管１３，・・・では、分岐管１２，・・・による二重構造が断熱層となり、放熱による排気ガス温度の低下が防止される。また、内管１３，・・・をシリンダヘッド内まで延ばすことによっても、排気ガス温度の低下が防止される。
【００４９】
分岐管１２，・・・と内管１３，・・・との間及び合流部材１１と合流管１４との間に形成される流路は、高出力用流路６であり、エンジンが高出力時に排気ガスを流す。高出力時には排気ガスの温度が高いが、分岐管１２，・・・及び合流部材１１は外気に接しているので、その表面から放熱し、排気ガス温度が低下する。
【００５０】
図４〜図７を参照して、第１触媒装置２の構成について説明する。図４は、図１の第１触媒装置の正面図である。図５は、図１の第１触媒装置の側面図（上流側）である。図６は、図４の正面図におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。図７は、図４の正面図におけるＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【００５１】
第１触媒装置２は、エキゾーストマニホールドＥＭの直下に配設される。第１触媒装置２は、中央部に触媒ユニット２０を有し、触媒ユニット２０の周りに１８個の排熱発電ユニット２１，・・・が配設される。第１触媒装置２には、周方向に沿って６個の排熱発電ユニット２１，・・・が配置され（図６参照）、長手方向（排気ガスの流れる方向）に沿って３個の排熱発電ユニット２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃが配置される（図７参照）。第１触媒装置２では、低出力用流路５を流れる排気ガスを触媒ユニット２０で浄化し、高出力用流路６を流れる排気ガスの熱エネルギを各排熱発電ユニット２１，・・・で電気エネルギに変換し、その電気エネルギをＤＣ／ＤＣコンバータ（図示せず）等を介してバッテリ（図示せず）に充電する。
【００５２】
なお、第１の実施の形態では、触媒ユニット２０が特許請求の範囲に記載する第１排気浄化手段に相当し、排熱発電ユニット２１が特許請求の範囲に記載する第１排熱発電手段に相当する。
【００５３】
第１触媒装置２には、最上流部にエキゾーストマニホールドＥＭの合流部材１４と接続する排気導入管２２が配設され、最下流部に流路切換装置８と接続するための取付部材２３が配設される。取付部材２３は、板状であり、低出力用流路５及び高出力用流路６を形成する２つの孔が開口されている。取付部材２３には、低出力用流路５の孔に接続する低出力用排気排出管２４が取り付けられ、高出力用流路６の孔に接続する高出力用排気排出管２５が設けられる。
【００５４】
触媒ユニット２０は、第１触媒装置２の中央に配設される触媒管２０ａを備えている。触媒管２０ａは、エキゾーストマニホールドＥＭの合流管１４と低出力用排気排出管２４との間に接続し、低出力用流路５を形成する（図７参照）。触媒管２０ａの内部には、多数本の縦方向骨格部材２０ｂ，・・・と多数本の横方向骨格部材２０ｃ，・・・とが配設され、縦方向骨格部材２０ｂ，・・・及び横方向骨格部材２０ｃ，・・・にはペレット状の三元触媒が担持されている（図６参照）。縦方向骨格部材２０ｂ，・・・と横方向骨格部材２０ｃ，・・・とは、断面視して、等間隔であり、直交している。したがって、触媒ユニット２０には、断面視して同一面積の正方形の触媒セルが多数個形成されている。そのため、触媒管２０ａ内に排気ガスが流れた場合、触媒管２０ａの全域で均等に排気ガスを浄化でき、触媒効率が高い。また、触媒ユニット２０は、触媒管２０ａが細く構成され、三元触媒の量を少なくし、触媒による熱容量を少なくしている。このように触媒ユニット２０を小型化できるのは、第１触媒装置２はエンジンが低出力時の排気ガスの流量が少ない場合にのみ浄化を行うからである。
【００５５】
排熱発電ユニット２１，・・・は、触媒管２０ａの周りに６０°毎に等間隔で配設されるとともに（図６参照）、触媒管２０ａの長手方向に沿って隣接して配設される（図７参照）。排熱発電ユニット２１は、熱電変換モジュール２１ｂ単位に構成され、熱電変換モジュール２１ｂの大きさを基準としてユニットを構成する各部が構成されている。排熱発電ユニット２１では、熱電変換モジュール２１ｂに対して低温側及び高温側から適切な圧力（例えば、１４ｋｇ／ｃｍ²）を加えるとともにユニット全体をばね系により柔軟に押えつけ、熱電変換モジュール２１ｂの熱電変換効率を上げている。そのために、排熱発電ユニット２１は、熱交換部２１ａ、熱電変換モジュール２１ｂ、冷却部２１ｃ、ばねクランプ部２１ｄを備えており（図６参照）、熱エネルギが移動する系並びにばねクランプシステムを構成している。
【００５６】
なお、第１の実施の形態では、熱交換部２１ａが特許請求の範囲に記載の第１熱交換部に相当し、熱電変換モジュール２１ｂが特許請求の範囲に記載の第１熱電変換部に相当し、冷却部２１ｃが特許請求の範囲に記載の第１冷却部に相当し、ばねクランプ部２１ｄが特許請求の範囲に記載の第１弾性部に相当する。
【００５７】
熱交換部２１ａは、熱電変換モジュール２１ｂの高温端面に対して適切な圧力を加えて固定し、排気ガスの熱エネルギをその高温端面を伝導する。また、熱交換部２１ａは、触媒管２０ａの長手方向に沿って配設される３つの排熱発電ユニット２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの熱交換部が一体で形成され、触媒管２０ａと同じ長さを有する（図７参照）。排気導入管２２と高出力用排気排出管２５との間には、６個の熱交換部２１ａ，・・・が溶接等によって接続される（図６参照）。そして、６個の熱交換部２１ａ，・・・は、触媒管２０ａに６０°毎に配置され、高出力用流路６を形成している。
【００５８】
熱交換部２１ａは、図６に示すように、断面視して略等脚台形状であり、排気ガスの流れる空間を有している。この等脚台形状では、長辺部と短辺部を結ぶ２つの側辺部からなる。熱交換部２１ａの長辺部は、熱電変換モジュール２１ｂを載置するために、肉厚の板状である。この長辺部の載置面は、熱電変換モジュール２１ｂの高温端面と密着するために、水平面となっている。熱交換部２１ａの短辺部は、円弧状であり、触媒管２０ａに溶接等によって接着される。各熱交換部２１ａの側辺部は、６０°をなす位置に配置された両側の熱交換部２１ａ，２１ａの各側辺部に溶接によって各々接着されている。そして、６個の熱交換部２１ａ，・・・は、周方向に沿って連結され、側面視して略正六角形になる（図６参照）。熱交換部２１ａの内部には、熱交換フィン２１ｅが設けられ、この熱交換フィン２１ｅにより排気ガスの熱エネルギを伝導する。熱交換フィン２１ｅは、熱交換部２１ａの長辺部に垂設され、各フィンの高さが側辺部及び短辺部に接しない程度に沿うような高さである。
【００５９】
熱電変換モジュール２１ｂでは、両端面間の温度差に応じてゼーベック効果により熱エネルギを電気エネルギに変換し、その電気エネルギを２つの電極（図示せず）から出力する。そのために、熱電変換モジュール２１ｂは、複数の熱電素子（例えば、Ｂｉ₂Ｔｅ₃等からなるｐ型とｎ型の２種類の半導体）（図示せず）を備えており、これらの熱電素子を電気的には直列にかつ熱的には並列に配置している。また、熱電変換モジュール２１ｂは、小面積の略正方形状であり、平行かつ水平な高温端面と低温端面を有している。この高温端面と熱交換部２１ａとの間及び低温端面と冷却部２１ｃとの間には、それぞれ絶縁シート（図示せず）が介装される。
【００６０】
冷却部２１ｃは、熱電変換モジュール２１ｂの低温端面に対して適切な圧力を加えて固定し、水冷式によりその低温端面を冷却する。また、冷却部２１ｃ，・・・は、触媒管２０ａの長手方向に沿って配設される３つの排熱発電ユニット２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの冷却部がそれぞれ連結され、隣接する冷却部２１ｃ，２１ｃ間がジャバラパイプ２８，２８で接続される（図４、図７参照）。このジャバラパイプ２８の作用により、隣接する冷却部２１ｃ，２１ｃ間で屈曲自在となっている。上流の６つの冷却部２１ｃ，・・・には冷却水パイプ２６，・・・が各々取り付けられ、下流の６つの冷却水２１ｃ，・・・には冷却水パイプ２７，・・・が各々取り付けされる。さらに、周方向に隣接する２組の冷却水パイプ２６，２６間は冷却水ホース２９，・・・で接続されるとともに周方向に隣接する３組の冷却水パイプ２７，２７間は冷却水ホース２９，・・・で接続される。また、６つの冷却水パイプ２６，・・・のうちの１つの冷却水パイプ２６に排熱発電用ラジエータ７０Ａから冷却水が導入され、その隣接する冷却水パイプ２６から排熱発電用ラジエータ７０Ａに冷却水を排出する（図２０参照）。したがって、１８個全ての冷却部２１ｃ，・・・には、同じ冷却水が循環する。
【００６１】
冷却部２１ｃは、冷却蓋２１ｆと冷却本体２１ｇとからなり、この冷却蓋２１ｆが冷却本体２１ｇに載せられて、ボルト等によって固定される（図６参照）。冷却蓋２１ｆは、冷却本体２１ｇの蓋であり、幅方向が冷却本体２１ｇと同寸法である。冷却蓋２１ｆの外面には、ばねクランプ部２１ｄの板ばね２１ｉが載置され、板ばね２１ｉ及びその上に載置される押圧部材２１ｊを両側から支持する支持部が設けられている。冷却本体２１ｇは、幅方向、長手方向共に熱電変換モジュール２１ｂより若干長い寸法を有する肉厚の箱形状であり、その箱の凹部に冷却水が流れる。冷却本体２１ｇの凹部には、冷却水を冷やすために、冷却フィン２１ｈが設けられている。冷却フィン２１ｈの各フィンは、全て同じ高さを有し、冷却本体２１ｇに冷却蓋２１ｆが取り付けられた場合に冷却蓋２１ｆの底面に接する程度の高さである。冷却本体２１ｇの底面は、熱電変換モジュール２１ｂの低温端面と密着するために、水平面となっている。
【００６２】
ばねクランプ部２１ｄは、冷却部２１ｃの外側から所定の圧力を印加し、熱電変換モジュール２１ｂを冷却部２１ｃと熱交換部２１ａとの間に固定する（図６参照）。この際、ばねクランプ部２１ｄでは、所定の弾性力により排熱発電ユニット２１全体をしなやかに押えつけている。また、ばねクランプ部２１ｄは、周方向に沿って配設される６つの排熱発電ユニット２１，・・・のばねクランプ部２１ｄが連結され、この６つのばねクランプ２１ｄ，・・・によって装置全体を締め付けている。そのために、ばねクランプ部２１ｄは、板ばね２１ｉ、押圧部材２１ｊ及びクランプ２１ｋを備えている。クランプ２１ｋは、周方向に隣接する３つのばねクランプ部２１ｄ，・・・のクランプが一体となったものである。なお、所定の圧力は、熱電変換モジュール２１ｂと冷却部２１ｃ及び熱交換部２１ａとの面圧力が適切な圧力になる程度の圧力である。
【００６３】
板ばね２１ｉは、冷却蓋２１ｆの外面に載置される。板ばね２１ｉは、小さいばね定数を有し、弾性力を発生させている。押圧部材２１ｊは、板ばね２１ｉに載置される。押圧部材２１ｊは、クランプ２１ｋと点接触するために略半球状である。クランプ２１ｋは、断面視して略半円形の板状である。クランプ２１ｋは、隣接する排熱発電ユニット２１，２１の間に弾性力発生部２１ｍを各々有しており、この２つの弾性力発生部２１ｍ，２１ｍによりばね構造体となっている。弾性力発生部２１ｍは、断面視して一部欠けた略円形であり、弾性力を有している。クランプ２１ｋの両端は、締結される相手側のクランプ２１ｋの両端に対向する対向面を有しており、その対向面にボルト２１ｎが貫通するボルト孔（図示せず）が形成されている。
【００６４】
ばねクランプ部２１ｄでは、冷却部２１ｃの冷却蓋２１ｆに板ばね２１ｉが載置され、その板ばね２１ｉの上に押圧部材２１ｊが載置され、押圧部材２１ｊの上にクランプ２１ｋが載置される。さらに、２個のクランプ２１ｋ，２１ｋが、その両端でボルト２１ｎ，２１ｎ及びナット２１ｏ，２１ｏによって締結される。締結されるクランプ２１ｋ，２１ｋの対向面間には、リング状の緩衝部材２１ｐが介装される。その２個のクランプ２１ｋ，２１ｋは、断面視して略円形状となり、６つの排熱発電ユニット装置２１，・・・の最外部を被う。そして、周方向に沿って連結されている６つのばねクランプ２１ｄ，・・・によって、６つの排熱発電ユニット２１，・・・全体をベルトのように締め付けている。ばねクランプ部２１ｄでは、板ばね２１ｉ及び押圧部材２１ｊを介するクランプ２１ｋによる押えつけによって、冷却部２１ｃ（ひいては、熱電変換モジュール２１ｂや熱交換部２１ａ）に所定の圧力を加える。この所定の圧力は、ボルト２１ｎ及びナット２１ｏの締め付け力によって調整することができる。ちなみに、板ばね２１ｉやクランプ２１ｋの位置がずれて、押えつけに偏りが発生しても、板ばね２１ｉとクランプ２１ｋとが点接触しているので、冷却部２１ｃに均一な圧力を加えることができる。そのため、冷却部２１ｃには、均一な面圧力が発生する。
【００６５】
このように、第１触媒装置２では、触媒ユニット２０を小型化しているので、その熱容量が小さい。そのため、第１触媒装置２では、エンジンのコールドスタート時における排気ガスの温度が低い（排気ガスの熱エネルギが少ない）場合でも、触媒温度の昇温が早く、活性温度まで早期に到達する。また、第１触媒装置２では、触媒ユニット２０の周りに排熱発電ユニット２１，・・・が配置されるので、熱交換部２１ａ，・・・の気体層及び熱電変換モジュール２１ｂ，・・・の素子自体が断熱層となる。そのため、第１触媒装置２では、二重の断熱効果により、排気ガスの熱エネルギの放熱ロスが大幅に低減され、触媒温度の昇温を更に促進する。
【００６６】
また、第１触媒装置２では、同じ構成を有する排熱発電ユニット２１，・・・が触媒ユニット２０の周りに６０°毎に６つ配置されているので、断面視して正六角形となっている。そのため、第１触媒装置２は、周方向に配置される６つの熱電変換モジュール２１ｂのうちのいずれの中心線においても対称構造となっており、排気ガスが外側に向かって均等に流れ、熱エネルギが均一に分散し、発電変換効率に優れている。
【００６７】
また、第１触媒装置２では、ばねクランプ部２１ｄによって所定の弾性力を発生させるとともに一点で接触しているので、熱電変換モジュール２１ｂを均一でかつ適正な押えつけ力により柔軟性豊かに固定することができる。そのため、第１触媒装置２では、熱膨張による様々な不具合現象を防止することができる。この不具合現象としては、例えば、熱電変換モジュール２１ｂの過大荷重による割れ等の破損、各固定ボルトの緩み、過大荷重による排気ガスの流路の変形、各接触面間に形成される空気層による熱抵抗の増大がある。
【００６８】
また、第１触媒装置２では、長手方向に排熱発電ユニット２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃを配置させ、冷却部２１ｃ，２１ｃ，２１ｃをジャバラパイプ２８，２８で屈曲自在に連結しているので、冷却部２１ｃの位置が自在に動く。そのため、第１触媒装置２では、長手方向に沿って温度勾配による熱膨張差があっても、その熱膨張差を吸収できる。その結果、長手方向に配置された熱電変換モジュール２１ｂ，２１ｂ，２１ｂを均一に押えつけることができ、熱電変換モジュール２１ｂの高温端面や低温端面において空気層が発生しない。というのは、第１触媒装置１では、上流側から排気ガスの熱エネルギを回収していくので、下流側にいくほど温度が低くなり、温度勾配が発生し、さらに、その温度差に応じて熱膨張による変形差が発生する。図７に示すように、長手方向に配置される排熱発電ユニット２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃにおいて、触媒ユニット２０を挟んで相対する熱電変換モジュール２１ｂ，２１ｂの高温端面間の長さを上流側からそれぞれａ，ｂ，ｃとした場合、熱膨張の変形差によってｂがｃ以上となり、ａがｂ以上となる。エンジンが低出力の場合、上流側で殆ど熱エネルギを回収してしまうので、下流側では低温で一様となり、温度勾配が無くなる。ちなみに、長手方向に配置された冷却部２１ｃ，２１ｃ，２１ｃを一体構造とした場合、熱交換部２１ａの温度勾配による熱膨張の変形差により、長手方向に配置された熱電変換モジュール２１ｂ，２１ｂ，２１ｂを均一に押えつけられなくなる。そのため、熱電変換モジュール２１ｂの高温端面や低温端面において空気層ができ、熱抵抗が発生し、熱エネルギの伝導効率が低下する。
【００６９】
このように、第１触媒装置１では、周方向に配置される６つの押圧部材２１ｊ，・・・がクランプ２１ｋ，２１ｋと接触する６つの接触点で形成される円の直径が熱膨張で大きくなっても、クランプ２１ｋ，２１ｋのばね構造体と板ばね２１ｉ，・・・による弾性力及び押圧部材２１ｊ，・・・の点接触並びに正六角形の対称構造によって、周方向に配置される６つの熱電変換モジュール２１ｂ，・・・を最適な押えつけ力でかつ均等な力で固定することができる。
【００７０】
図８〜図１２を参照して、第２触媒装置３の構成について説明する。図５は、図１の第２触媒装置の正面図である。図９は、図１の第２触媒装置の側面図（上流側）である。図１０は、図８の正面図におけるＣ−Ｃ線に沿った断面図である。図１１は、図８の正面図におけるＤ−Ｄ線に沿った断面図である。図１２は、図１０の断面図における触媒ユニットの拡大図である。なお、第２触媒装置３は、第１触媒装置２と略同様の構成を有するので、その構成において異なる点のみ詳細に説明する。
【００７１】
第２触媒装置３は、流路切換装置８の下流側に配設される。第２触媒装置３は、中央部に触媒ユニット３０を有し、触媒ユニット３０の周りに３２個の排熱発電ユニット３１，・・・が配設される。第２触媒装置３には、周方向に沿って８個の排熱発電ユニット３１，・・・が配置され（図１０参照）、長手方向に沿って４個の排熱発電ユニット３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｄが配置される（図１１参照）。第２触媒装置３では、高出力用流路６に流れる排気ガスを触媒ユニット３０で浄化し、低出力用流路５又は高出力用流路６を流れる排気ガスの熱エネルギを各排熱発電ユニット３１，・・・で電気エネルギに変換し、その電気エネルギをＤＣ／ＤＣコンバータ等を介してバッテリに充電する。
【００７２】
なお、本実施の形態では、触媒ユニット３０が特許請求の範囲に記載する第２排気浄化手段に相当し、排熱発電ユニット３１が特許請求の範囲に記載する第２排熱発電手段に相当する。
【００７３】
第２触媒装置３には、最上流部に流路切換装置８と接続するための取付部材３３が配設され、最下流部に排熱発電装置４と接続するための取付部材３４が配設される（図１１参照）。取付部材３３は、板状であり、低出力用流路５及び高出力用流路６を形成する２つの孔が開口されている。取付部材３３には、低出力用流路５の孔に接続する低出力用排気導入管３５が取り付けられ、高出力用流路６の孔に接続する高出力用排気導入管３６が取り付けられる。取付部材３４は、板状であり、合流用流路７を形成する１つの孔が開口されている。取付部材３４には、その孔に接続する合流用排気排出管３７が取り付けられる。
【００７４】
触媒ユニット３０は、第２触媒装置３の中央に配設される触媒管３０ａを備えている。触媒管３０ａは、高出力用排気排出管３６に接続し、高出力用流路６を形成する（図１１参照）。触媒管３０ａは、周方向に配列される８つの排熱発電ユニット３１，・・・に対応して８分割構造とするために、４５°毎に分割部材３０ｂが配設されている（図１２参照）。分割部材３０ｂ，・・・で分割された触媒管３０ａの各区画には、多数本の縦方向骨格部材３０ｃ，・・・と多数本の横方向骨格部材３０ｄ，・・・とが配設され、縦方向骨格部材３０ｃ，・・・及び横方向骨格部材３０ｄ，・・・にはペレット状の三元触媒が担持されている。縦方向骨格部材３０ｃ，・・・は、断面視して、熱電変換モジュール３１ｂに対して直交方向に配置され、触媒管３０ａの中心から外側にかけてその厚さが徐々に厚くなっている。横方向骨格部材３０ｄ，・・・は、断面視して、縦方向骨格部材３０ｃ，・・・と直交するようにかつ等間隔で配置される。したがって、触媒ユニット３０の各区画には、断面視して、中心から外側にかけて細くなる等脚台形状の触媒セルが多数個形成されている。そのため、触媒管３０ａ内に排気ガスが流れた場合、排気ガスの熱エネルギが熱交換部３１ａに向かって移動しやすくなる。また、触媒ユニット３０は、触媒管３０ａの径が太く構成され、三元触媒の量も多い。このように触媒ユニット３０を大型化するのは、第２触媒装置３はエンジンが中〜高出力時の排気ガス量が多い場合に浄化を行うからである。
【００７５】
なお、本実施の形態では、縦方向骨格部材３０ｃが特許請求の範囲に記載する縦方向骨格部材に相当し、横方向骨格部材３０ｄが特許請求の範囲に記載する横方向骨格部材に相当する。
【００７６】
なお、横方向骨格部材３０ｃ，・・・を等間隔で配置するのでなく、中心から外側にかけて間隔が広くなるように配置してもよい。中心から外側にかけて触媒セルの面積が徐々に大きくなるように配置した場合、排気ガスを中心より外側に流すことができ、排熱発電ユニット３１，・・・での排気ガスの熱エネルギの回収を促進できる。また、中心から外側にわたって触媒セルの面積が均一になるよう配置した場合、触媒管３０ａの全域で均等に排気ガスを浄化でき、触媒効率が高くなる。
【００７７】
排熱発電ユニット３１，・・・は、触媒管３０ａの周りに４５°毎に等間隔で配設されるとともに（図１０参照）、触媒管３０ａの長手方向に沿って隣接して配設される（図１１参照）。排熱発電ユニット３１は、第１触媒装置２の排熱発電ユニット２１と同様の構成を有するが、その各部材の大きさや形状が異なっている。排熱発電ユニット３１は、熱交換部３１ａ、熱電変換モジュール３１ｂ、冷却部３１ｃ、ばねクランプ部３１ｄを備えている（図１０参照）。
【００７８】
なお、本実施の形態では、熱交換部３１ａが特許請求の範囲に記載の第２熱交換部に相当し、熱電変換モジュール３１ｂが特許請求の範囲に記載の第２熱電変換部に相当し、冷却部３１ｃが特許請求の範囲に記載の第２冷却部に相当し、ばねクランプ部３１ｄが特許請求の範囲に記載の第２弾性部に相当する。
【００７９】
熱交換部３１ａは、第１触媒装置２の熱交換部２１ａと同様の構成及び作用を有する。しかし、熱交換部３１ａは、熱交換部２１ａのように周方向に沿っての分割構造ではなく、周方向に一体で形成されている。したがって、熱交換部３１ａは、触媒管３０ａの全周を覆う筒状であり、触媒管３０ａと同じ長さを有する（図１０、図１１参照）。熱交換部３１ａには、接続部材３９によって低出力用排気導入管３５が接続され、接続部材３８によって合流用排気排出管３７が接続される。そして、熱交換部３１ａは、低出力用流路５を形成している。
【００８０】
熱交換部３１ａは、図１０に示すように、断面視して外面が正八角形状であり、内面が触媒管３０ａに嵌合する円形状である。熱交換部３１ａの外面は、熱電変換モジュール３１ｂの高温端面と密着するために、水平面となっている。熱交換部３１ａには、周方向に配置される８つの熱電変換モジュール３１ｂ，・・・に対応して排気ガスが流れる空間が形成されている。この空間には、熱交換フィン３１ｅが各々設けられ、この熱交換フィン３１ｅにより排気ガスの熱エネルギを伝導する。熱交換フィン３１ｅは、熱交換部３１ａの外面に垂設され、各フィンの高さが内面に接しない程度に沿うような高さである。
【００８１】
熱電変換モジュール３１ｂは、第１触媒装置２の熱電変換モジュール２１ｂと同様の構成及び作用を有する。熱電変換モジュール３１ｂの高温端面と熱交換部３１ａとの間及び低温端面と冷却部３１ｃとの間には、それぞれ絶縁シート３１ｑが各々介装される（図１２参照）。
【００８２】
冷却部３１ｃは、冷却蓋３１ｆ及び冷却本体３１ｇ並びに冷却本体３１ｇの凹部に設けられる冷却フィン３１ｈを備え、第１触媒装置２の冷却部２１ｃと同様の構成及び作用を有する（図１０参照）。冷却部３１ｃ，・・・は、触媒管３０ａの長手方向に沿って配設される４つの排熱発電ユニット３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｃの冷却部が連結され、隣接する冷却部３１ｃ，３１ｃ間がジャバラパイプ４２，４２で接続される（図８、図１１参照）。最上流の８つの冷却部３１ｃ，・・・には冷却水パイプ４０，・・・が各々取り付けられ、最下流の８つの冷却水３１ｃ，・・・には冷却水パイプ４１，・・・が各々取り付けされる。さらに、周方向に隣接する３組の冷却水パイプ４０，４０間は冷却水ホース４３，・・・で接続されるとともに周方向に隣接する４組の冷却水パイプ４１，４１間は冷却水ホース４３，・・・で接続される。また、８つの冷却水パイプ４０，・・・のうちの１つの冷却水パイプ４０に排熱発電用ラジエータ７０Ａから冷却水が導入され、その隣接する冷却水パイプ４０から排熱発電用ラジエータ７０Ａに冷却水を排出する（図２０参照）。したがって、３２個全ての冷却部３１ｃ，・・・には、同じ冷却水が循環する。
【００８３】
ばねクランプ部３１ｄは、板ばね３１ｉ、押圧部材３１ｊ及びクランプ３１ｋを備え、第１触媒装置２のばねクランプ部２１ｄと同様の構成及び作用を有する（図１０参照）。ばねクランプ部３１ｄは、周方向に沿って配設される８つの排熱発電ユニット３１，・・・のばねクランプ部３１ｄが連結され、この８つのばねクランプ３１ｄ，・・・によって装置全体を締め付けている。クランプ３１ｋは、周方向に隣接する４つのばねクランプ部３１ｄ，・・・のクランプが一体となったものであり、３つの弾性力発生部３１ｍ，・・・を有している。周方向に沿って配置される２個のクランプ３１ｋ，３１ｋは、その両端でボルト３１ｎ，３１ｎ及びナット３１ｏ，３１ｏによって締結され、締結されるクランプ３１ｋ，３１ｋの対向面間には緩衝部材３１ｐが介装される。
【００８４】
このように、第２触媒装置３では、第１触媒装置２と略同様の構成を有するので、第１触媒装置２と同様の効果も有する。また、第２触媒装置３では、触媒ユニット３０を大型化しているので、エンジンが中〜高出力時で排気ガスの流量が多くても浄化が可能である。
【００８５】
また、第２触媒装置３では、エンジンが中〜高出力時の排気ガスの熱エネルギが多い場合に浄化を行うので、触媒ユニット３０ではその多量の熱エネルギを回収できない。そこで、第２触媒装置では、触媒ユニット３０の外周に沿って配置されている排熱発電ユニット３１，・・・で電気エネルギとして回収することができ、排気ガスの熱エネルギの回収効率が高くなる。さらに、第２触媒装置３では、触媒ユニット３０の内部構造を排気ガスの熱エネルギが熱交換部３１，・・・に移動しやすい構造としているので、熱電変換モジュール３１ｂの高温端面の昇温を促進し、排気ガスの熱エネルギの回収効率が更に高くなる。
【００８６】
図１３〜図１６を参照して、排熱発電装置４の構成について説明する。図１３は、図１の排熱発電装置の正面図である。図１４は、図１の排熱発電装置の側面図（上流側）である。図１５は、図１３の正面図におけるＥ−Ｅ線に沿った断面図である。図１６は、図１４の側面図におけるＦ−Ｆ線に沿った断面図である。なお、排熱発電装置４は、第１触媒装置２等の触媒ユニットを有さないが、第１触媒装置２等の排熱発電ユニットと略同様の構成を有するので、その構成において異なる点のみ詳細に説明する。
【００８７】
排熱発電装置４は、第２触媒装置３の下流側に配設される。排熱発電装置４は、装置の中心の周りに４個の排熱発電ユニット５１，・・・が配置され（図１５参照）、長手方向に沿って４個の排熱発電ユニット５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄが配置される（図１６参照）。排熱発電装置４では、合流用流路７を流れる排気ガスの熱エネルギを各排熱発電ユニット５１，・・・で電気エネルギに変換し、その電気エネルギをＤＣ／ＤＣコンバータ等を介してバッテリに充電する。
【００８８】
排熱発電装置４には、最上流部に第２触媒装置３と接続するための取付部材５３が配設され、最下流部に排気管（図示せず）と接続するための取付部材５４が配設される（図１６参照）。取付部材５３は、板状であり、合流用流路７を形成する１つの孔が開口されている。取付部材５３には、合流用流路７の孔に接続する排気導入管５５が取り付けられる。取付部材５４は、板状であり、合流用流路７を形成する１つの孔が開口されている。取付部材５４には、合流用流路７の孔に接続する排気排出管５６が設けられる。排気導入管５５と排気排出管５６との間には、４個の分割排気管５７，５７，５７，５７が排熱発電装置４の中央部に９０°毎に配置され、溶接等によって接続される（図１５参照）。
【００８９】
分割排気管５７は、主要部が薄板状であり、断面視して二等辺三角形状である（図１５参照）。この二等辺三角形状では、底辺部と２つの側辺部とのなす角が４５°である。また、分割排気管５７の底辺部には、長手方向に沿って４つの開口部５７ａ，・・・が形成されている（図１６参照）。開口部５７ａ，・・・は、略正方形であり、熱交換部５１ａの熱交換フィン５１ｅが挿入される。各分割排気管５７の側辺部は、９０°をなす位置に配置された両側の分割排気管５７，５７の各側辺部に溶接によって各々接着されている。そして、４個の分割排気管５７，・・・は、周方向に沿って連結され、側面視して略正方形になる。また、各分割排気管５７には４個の熱交換フィン５１ｅ，・・・が取り付けられ、４つの開口部５７ａ，・・・が閉じることによって合流用流路７が形成される。
【００９０】
排熱発電ユニット５１，・・・は、周方向に沿って４５°毎に等間隔で配設されるとともに（図１５参照）、長手方向に沿って隣接して配設される（図１６参照）。排熱発電ユニット５１は、第１触媒装置２の排熱発電ユニット２１と略同様の構成を有し、その各部材の大きさや形状が異なっている。排熱発電ユニット５１は、熱交換部５１ａ、熱電変換モジュール５１ｂ、冷却部５１ｃ、ばねクランプ部５１ｄを備えている。
【００９１】
熱交換部５１ａは、分割排気管５７及び熱交換フィン５１ｅからなる。熱交換フィン５１ｅの基台は、熱電変換モジュール５１ｂを載置するために、肉厚の板状である。この基台の載置面は、熱電変換モジュール５１ｂの高温端面と密着するために、水平面となっている。この基台の外縁部は、熱交換フィン５１ｅを分割排気管５７に取り付けた際にその分割排気管５７の底辺部に係止するフランジとなっている。基台のフィン面には、フィンが垂設される。熱交換フィン５１ｅの各フィンの高さは、分割排気管５７に取り付けられた場合にその側辺部に接しない程度に沿うような高さである。４個の熱交換フィン５１ｅ，・・・は、分割排気管５７の開口部５７ａ，・・・に各々嵌め込まれボルトによって締結され、合流用流路７を形成する（図１６参照）。
【００９２】
熱電変換モジュール５１ｂは、第１触媒装置２の熱電変換モジュール２１ｂと同様の構成及び作用を有する。
【００９３】
冷却部５１ｃは、冷却蓋５１ｆ及び冷却本体５１ｇ並びに冷却本体５１ｇの凹部に設けられる冷却フィン５１ｈを備え、第１触媒装置２の冷却部２１ｃと同様の構成及び作用を有する（図１５参照）。冷却部５１ｃ，・・・は、長手方向に沿って配設される４つの排熱発電ユニット５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｃの冷却部が連結され、隣接する冷却部５１ｃ，５１ｃ間がジョイントパイプ５８で接続される（図１６参照）。ジョイントパイプ５８は、冷却部５１ｃの端部に設けられた冷却水管５１ｑに取り付けられ、冷却水管５１ｑとの間にはＯリングが介装される。ジョイントパイプ５８は屈曲性を有しているので、隣接する冷却部５１ｃ，５１間は屈曲自在となっている。最上流の４つの冷却部５１ｃ，・・・の各冷却水管５１ｑ，・・・には冷却水パイプ５９，・・・が各々取り付けられ、最下流の４つの冷却水５１ｃ，・・・の各冷却水管５１ｑ，・・・には冷却水パイプ６０，・・・が各々取り付けされる。さらに、周方向に隣接する１組の冷却水パイプ５９，５９間は冷却水ホース６１で接続されるとともに周方向に隣接する２組の冷却水パイプ６０，６０間は冷却水ホース６１，・・・で接続される。また、４つの冷却水パイプ５９，・・・のうちの１つの冷却水パイプ５９に排熱発電用ラジエータ７０Ａから冷却水が導入され、その隣接する冷却水パイプ５９から排熱発電用ラジエータ７０Ａに冷却水を排出する（図２０参照）。したがって、１６個全ての冷却部５１ｃ，・・・には、同じ冷却水が循環する。
【００９４】
ばねクランプ部５１ｄは、板ばね５１ｉ、押圧部材５１ｊ及びクランプ５１ｋを備え、第１触媒装置２のばねクランプ部２１ｄと同様の構成及び作用を有する（図１５参照）。ばねクランプ部５１ｄは、周方向に沿って配設される４つの排熱発電ユニット５１，・・・のばねクランプ部５１ｄが連結され、この４つのばねクランプ５１ｄ，・・・によって装置全体を締め付けている。クランプ５１ｋは、周方向に隣接する２つのばねクランプ部５１ｄ，・・・のクランプが一体となったものであり、１つの弾性力発生部５１ｍを有している。周方向に沿って配置される２個のクランプ５１ｋ，５１ｋは、その両端でボルト５１ｎ，５１ｎ及びナット５１ｏ，５１ｏによって締結され、締結されるクランプ５１ｋ，５１ｋの対向面間には緩衝部材５１ｐが介装される。
【００９５】
このように、排熱発電装置４では、第１触媒装置２の排熱発電ユニット２１，・・・と略同様の構成を有するので、第１触媒装置２の排熱発電ユニット２１，・・・と同様の効果も有する。排熱発電装置４では、第１触媒装置２及び第２触媒装置３で回収できなかった排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換し、排気システム１としての熱エネルギの回収効率を向上させる。
【００９６】
図１〜図３、図７、図１１を参照して、低出力用流路５について説明する。低出力用流路５は、第１触媒装置２の触媒管２０ａ及び第２触媒装置３の熱交換部３１ａ，・・・に排気ガスを流すための流路であり、エンジンが低出力時に排気ガスが流れる。低出力用流路５は、主に、内管１３，・・・、合流管１４、触媒管２０ａ、低出力用排気排出管２４、低出力用排気導入管３５、熱交換部３１ａによって形成される。
【００９７】
図１〜図３、図７、図１１を参照して、高出力用流路６について説明する。高出力用流路６は、第１触媒装置２の熱交換部２１ａ，・・・及び第２触媒装置３の触媒管３０ａに排気ガスを流すための流路であり、エンジンが中〜高出力時に排気ガスが流れる。高出力用流路６は、主に、分岐管１２，・・・と内管１３，・・・との間の空間、排気導入管２２と合流管１４との間の空間、熱交換部２１ａ，・・・、高出力用排気排出管２５、高出力用排気導入管３６、触媒管３０ａによって形成される。エンジンが中〜高出力時には排気ガスの流量が多くなるので、高出力用流路６の断面積は低出力用流路５の断面積より大きい。
【００９８】
図１、図１１、図１６を参照して、合流用流路７について説明する。合流用流路７は、第２触媒装置３より下流側に排気ガスを流すための流路であり、排気ガスが常時流れる。合流用流路７は、主に、合流用排気管３７、排気導入管５５、分割排気管５７，・・・、排気排出管５６及びそれより下流の排気管によって構成される。
【００９９】
図１、図１７〜図１９を参照して、流路切換装置８について説明する。図１７は、図１の流路切換装置の正面図である。図１８は、図１の流路切換装置の側面図である。図１９は、図１７の正面図におけるＧ−Ｇ線に沿った断面図である。
【０１００】
流路切換装置８は、低出力用流路５と高出力用流路６とを切り換えるための装置であり、第１触媒装置２と第２触媒装置３との間に配設される。流路切換装置８は、主に、装置本体８ａ、シャフト８ｂ、低出力用バルブ８ｃ及び高出力用バルブ８ｄから構成される。
【０１０１】
なお、本実施の形態ではシャフト８ｂが特許請求の範囲に記載する回転軸に相当し、低出力用バルブ８ｃが特許請求の範囲に記載する第１バルブに相当し、高出力用バルブ８ｄが特許請求の範囲に記載する第２バルブに相当する。
【０１０２】
装置本体８ａは、肉厚の板状であり、低出力用流路５の連通路となる円形の低出力用バルブ孔８ｅ及び高出力用流路６の連通路となる円形の高出力用バルブ孔８ｆが開口されている。低出力用流路５及び高出力用流路６の断面積に対応して、高出力用バルブ孔８ｆの断面積は低出力用バルブ８ｅの断面積より大きい。装置本体８ａの一面には第１触媒装置２の取付部材２３が取り付けられ、低出力用バルブ孔８ｅが低出力用排気排出管２４に接続し、高出力用バルブ孔８ｆが高出力用排気排出管２５に接続する（図７参照）。装置本体８ａの他面には第２触媒装置３の取付部材３３が取り付けられ、低出力用バルブ孔８ｅが低出力用排気導入管３５に接続し、高出力用バルブ孔８ｆが高出力用排気導入管３６に接続する（図１１参照）。また、装置本体８ａは、その内部にシャフト８ｂを通すために、一端部と低出力用バルブ孔８ｅとの間、低出力用バルブ孔８ｅと高出力用バルブ孔８ｆとの間及び高出力用バルブ孔８ｆと他端部との間をそれぞれ貫通するシャフト孔８ｇ，８ｈ，８ｉが開口されている。
【０１０３】
シャフト８ｂは、装置本体８ａのシャフト孔８ｇ，低出力用バルブ孔８ｅ、シャフト孔８ｈ、高出力用バルブ孔８ｆ及びシャフト孔８ｉに通され、装置本体８ｂの両端部から突出している。シャフト８ｂは、シャフト孔８ｇ及びシャフト孔８ｉで軸受ブッシュ８ｊ，８ｋで回転自在に支持されている。シャフト８ｂの一面には、低出力用バルブ孔８ｅの位置に第１凹部が形成されている。また、シャフト８ｂの第１凹部が形成される一面と９０°をなす他面には、高出力用バルブ孔８ｆの位置に第２凹部が形成されている。シャフト８ｂの一端には連結部材８ｌによってアクチュエータ８ｍが取り付けられ、アクチュエータ８ｍが駆動するとシャフト８ｂが回転する。
【０１０４】
低出力用バルブ８ｃは、円板形状であり、低出力用バルブ孔８ｅを閉じる大きさを有している。低出力用バルブ８ｃは、低出力用バルブ孔８ｅに嵌合する位置に配置され、シャフト８ｂの第１凹部にビス８ｎ，８ｎによって取り付けられる。低出力用バルブ８ｃは、その回転中心軸がシャフト８ｂの回転中心軸上となり、９０°の範囲内で回転自在である。
【０１０５】
高出力用バルブ８ｄは、円板形状であり、高出力用バルブ孔８ｆを閉じる大きさを有している。高出力用バルブ８ｄは、高出力用バルブ孔８ｆに嵌合する位置に配置され、シャフト８ｂの第２凹部にビス８ｏ，８ｏによって取り付けられる。高出力用バルブ８ｄは、その回転中心軸がシャフト８ｂの回転中心軸上となり、９０°の範囲内で回転自在である。低出力用バルブ８ｃと高出力用バルブ８ｄとは、同軸上で回転し、９０°の角度をなしている。
【０１０６】
このように、流路切換装置８では、シャフト８ｂに低出力用バルブ８ｃと高出力用バルブ８ｄとが９０°の角度なして取り付けられているので、低出力用バルブ８ｃで低出力用バルブ孔８ｅを全閉した時には高出力用バルブ孔８ｆが全開し、高出力用バルブ８ｄで高出力用バルブ孔８ｆを全閉した時には低出力用バルブ孔８ｅが全開する。つまり、流路切換装置８では、シャフト８ｂを回転させるだけで低出力用流路５及び高出力用流路６の開閉を一緒にでき、低出力用流路５の開閉と高出力用流路６の開閉とを常に逆転させることができる。そのため、流路切換装置８は、２つの低出力用流路５と高出力用流路６とを開閉するためにアクチュエータ及びそれに付随する部品を１セットでよいので、部品点数が少なく、装置構成も簡素化できる。
【０１０７】
図２０を参照して、排気システム１の冷却システム９について説明する。図２０は、本実施の形態に係る排気システムにおける冷却システムの構成図である。
【０１０８】
冷却システム９は、第１触媒装置２の冷却部２１ｃ，・・・、第２触媒装置３の冷却部３１ｃ，・・・及び排熱発電装置４の冷却部５１ｃ，・・・も供給する冷却水の流量を調整する。そのために、冷却システム９は、ラジエータ７０、冷却水温度センサ７１、切換装置７２、ウォータポンプ７３、第１バルブ７４、第２バルブ７５、第３バルブ７６、第１温度センサ７７、第２温度センサ７８、第３温度センサ７９及びエンジンＥＣＵ[Electronic Control Unit]８０を備えている。ラジエータ７０には、排熱発電用ラジエータ７０Ａとエンジン用ラジエータ７０Ｂとが構成される。なお、エンジンＥＣＵ８０は、冷却システム９だけでなく、排気システム１全体の制御を行う。
【０１０９】
なお、本実施の形態では、ラジエータ７０が特許請求の範囲に記載するラジエータに相当し、排熱発電用ラジエータ７０Ａが特許請求の範囲に記載する排熱発電用ラジエータに相当し、冷却水温度センサ７１が特許請求の範囲に記載する冷媒温度検出手段に相当し、切換装置７２が特許請求の範囲に記載する冷媒切換バルブに相当し、ウォータポンプ７３が特許請求の範囲に記載する電動ポンプに相当し、第１バルブ７４が特許請求の範囲に記載する第１冷媒バルブに相当し、第２バルブ７５が特許請求の範囲に記載する第２冷媒バルブに相当し、エンジンＥＣＵ８０が特許請求の範囲に記載する制御手段に相当する。
【０１１０】
ラジエータ７０は、自動車に通常備えられるエンジンの排気量等に応じた冷却能力及びサイズを有するラジエータである。ラジエータ７０は、排熱発電用ラジエータ７０Ａとエンジン用ラジエータ７０Ｂとして独立して機能するために、２分割構造となっており、分割する箇所に分割壁７０ａが設けられている。分割するサイズとしては、エンジン用ラジエータ７０Ｂの方を大きくする。各ラジエータ７０Ａ，７０Ｂでは、通常時には、他方のラジエータ側へ冷却水が移動することはなく、その内部でのみ冷却水が循環する。しかし、分割壁７０ａには、上部と下部にそれぞれ連通孔が設けられており、その連通孔を開閉する上側バルブ７０ｂと下側バルブ７０ｃとが設けられている（図２１参照）。上側バルブ７０ｂと下側バルブ７０ｃを開くことによって、ラジエータ７０Ａ，７０Ｂ間で冷却水の移動が可能となる。
【０１１１】
排熱発電用ラジエータ７０Ａは、通常、冷却部２１ｃ，・・・、冷却部３１ｃ，・・・及び冷却部５１ｃ，・・・へ冷却水を供給し、エンジンが高負荷時にはエンジンに冷却水を供給するラジエータである。排気発電用ラジエータ７０Ａは、電動式のファン７０ｄが備えられており、このファン７０ｄにより冷却水温度を低温化することができる。ファン７０ｄは、冷却水温度センサ７１で検出した冷却水温度に基づいてエンジンＥＣＵ８０によって回転数制御される。冷却水温度センサ７１は、サーミスタ等の温度センサであり、排熱発電用ラジエータ７０Ａ内を流れる冷却水の温度を検出する。
【０１１２】
エンジン用ラジエータ７０Ｂは、エンジンへ冷却水を供給するラジエータである。エンジン用ラジエータ７０Ｂは、電動式のファン７０ｅが備えられており、このファン７０ｅにより冷却水温度を低温化することができる。ファン７０ｅは、冷却水温度に基づいてエンジンＥＣＵ８０によって回転数制御される。ちなみに、エンジン用ラジエータ７０Ｂから供給された冷却水は、サーモスタットＴＨを通ってウォータポンプＷＰに入り、ウォータポンプＷＰで流量が調整された後、シリンダブロックＳＢを循環し、さらに、シリンダヘッドＳＨを循環してエンジン用ラジエータ７０Ｂに戻る。また、エンジン内を循環している冷却水が低温の場合、サーモスタットＳＨが閉じてエンジン用ラジエータ７０Ｂからの冷却水の供給が遮断されるとともに、シリンダヘッドＳＨを循環した冷却水は、バイパス流路ＢＰを通ってサーモスタットＴＨに戻り、エンジン内を再び循環する。
【０１１３】
切換装置７２は、通常時には排熱発電用ラジエータ７０Ａからの冷却水をウォータポンプ７３に流すとともにエンジン用ラジエータ７０Ｂからの冷却水をサーモスタットＴＨに流し、エンジンが高負荷時には排熱発電用ラジエータ７０Ａからの冷却水もサーモスタットＴＨに流す。そのために、切換装置７２は、一方の入口には排熱発電用ラジエータ７０Ａの出口が配管され、他方の入口にはエンジン用ラジエータ７０Ｂの出口が配管され、一方の出口にはウォータポンプ７３が配管され、他方の出口にはサーモスタットＴＨが配管される。さらに、切換装置７２は、バルブ７２ａが備えられており、バルブ７２ａが閉じている場合には一方の入口から入った排熱発電用ラジエータ７０Ａからの冷却水を一方の出口から排出してウォータポンプ７３に流し、バルブ７２ａが開いた場合には一方の入口から入った排熱発電用ラジエータ７０Ａからの冷却水を他方の出口から排出してサーモスタットＴＨに流す。バルブ７２ａは、エンジンＥＣＵ８０によって開閉制御される。
【０１１４】
ウォータポンプ７３は、電動式であり、排熱発電用ラジエータ７０Ａから供給する冷却水の流量を調整するポンプである。ウォータポンプ７３の出口には、３つのバルブ７４〜７６にそれぞれ配管される。各ウォータポンプ７３は、エンジンＥＣＵ８０によって回転数制御される。
【０１１５】
第１バルブ７４は、ウォータポンプ７３の出口と第１触媒装置２の冷却部２１ｃの冷却水パイプ２６との配管上に設けられ、冷却部２１ｃ，・・・に供給する冷却水の流量を調整するバルブである。第１バルブ７４は、第１温度センサ７７で検出した熱交換部２１ａにおける温度に基づいてエンジンＥＣＵ８０によって開度制御される。第１温度センサ７７は、サーミスタ等の温度センサであり、熱交換部２１ａを流れる排気ガス又は熱交換フィン２１ｅ自体の温度を検出する。
【０１１６】
第２バルブ７５は、ウォータポンプ７３の出口と第２触媒装置３の冷却部３１ｃの冷却水パイプ４０との配管上に設けられ、冷却部３１ｃ，・・・に供給する冷却水の流量を調整するバルブである。第２バルブ７５は、第２温度センサ７８で検出した熱交換部３１ａにおける温度に基づいてエンジンＥＣＵ８０によって開度制御される。第２温度センサ７８は、サーミスタ等の温度センサであり、熱交換部３１ａを流れる排気ガス又は熱交換フィン３１ｅ自体の温度を検出する。
【０１１７】
第３バルブ７６は、ウォータポンプ７３の出口と排熱発電装置４の冷却部５１ｃの冷却水パイプ５９との配管上に設けられ、冷却部５１ｃ，・・・に供給する冷却水の流量を調整するバルブである。第３バルブ７６は、第３温度センサ７９で検出した熱交換部５１ａにおける温度に基づいてエンジンＥＣＵ８０によって開度制御される。第３温度センサ７９は、サーミスタ等の温度センサであり、熱交換部５１ａを流れる排気ガス又は熱交換フィン５１ｅ自体の温度を検出する。
【０１１８】
エンジンＥＣＵ８０は、ＣＰＵ[Central Processing Unit]、ＲＯＭ[Read Only Memory]、ＲＡＭ[Random Access Memory]等からなる電子制御ユニットである。エンジンＥＣＵ８０は、各種センサが接続され、各種センサからの検出値に基づいて各種制御値等を設定し、エンジン及びエンジンに関する各部を制御する制御装置である。さらに、エンジンＥＣＵ８０は、冷却システム９の各部及び流路切換装置８を制御し、排気システム１の制御装置でもある。
【０１１９】
エンジンＥＣＵ８０では、冷却水温度センサ７１から冷却水温度を取得し、排熱発電用ラジエータ７０Ａ内の冷却水の温度が高くなるのに応じてファン回転数を高くするための信号をファン７０ｄに送信する。また、エンジンＥＣＵ８０では、エンジン用ラジエータ７０Ｂ内の冷却水の温度が高くなるのに応じてファン回転数を高くするための信号をファン７０ｅに送信する。ちなみに、自動車が走行中にはラジエータ７０に走行風が当たるので、冷却水温度がそれほど高温にならない。しかし、自動車が停止中やエンジンが高負荷時には、冷却水が高温になる場合がある。排熱発電用の冷却水を低温化することによって、熱電変換モジュール２１ｂ、３１ｂ、５１ｂの低温端面を低温化でき、低温端面と高温端面との温度差を大きくすることによって発電量を増加し、回収効率を向上させる。
【０１２０】
また、エンジンＥＣＵ８０は、エンジンが高負荷（例えば、登坂時や高速走行時）であると判定した場合には、バルブを開くための信号を上側バルブ７０ｂ、下側バルブ７０ｃ、バルブ７２ａにそれぞれ送信する。この際、エンジンＥＣＵ８０は、モータ回転数を０にするための信号をウォータポンプ７３に送信し、バルブを閉じるための信号を第１バルブ７４、第２バルブ７５、第３バルブ７６にそれぞれ送信する。このようにバルブ７０ｂ，７０ｃ，７２ａを開くことによって排熱発電用ラジエータ７０Ａの冷却水もエンジンに供給するとともに冷却部２１ｃ，３１ｃ，５１ｃへの冷却水の供給も停止し、排熱発電用ラジエータ７０Ａの冷却水もエンジンを冷却するために利用する。つまり、ラジエータ７０の冷却能力を全てエンジンの冷却に利用し、エンジンの高温化（ひいては、オーバヒート）を防止する。エンジンが高負荷か否かの判定としては、スロットルバルブの開度、吸入空気量、エンジントルク、エンジン回転数、排気ガスの温度等に基づいて行う。
【０１２１】
なお、通常の自動車の運転パターンでは、登坂や高速走行等の高負荷状態（高出力）で運転される頻度は極めて少なく、中〜低負荷状態（中〜低出力）で運転されることが殆どである。ラジエータ７０の冷却能力は高負荷状態に対応できる能力を有しており、中〜低負荷状態ではラジエータ７０の冷却能力に余裕がある。そこで、冷却システム９ではラジエータ７０を２分割構造として排熱発電用ラジエータ７０Ａによってその冷却能力に余裕のある時に排熱発電用として利用する。このように、冷却水を供給して熱電変換モジュール２１ｂ、３１ｂ、５１ｂの低温端面を冷却することによって発電量を増加し、回収効率を向上させる。また、高負荷状態の場合、冷却水を利用して熱電変換モジュール２１ｂ、３１ｂ、５１ｂの低温端面を冷却することはできないが、高負荷状態での走行頻度は少なく、排気ガスの熱エネルギ自体は多いので発電量は大きい。
【０１２２】
また、エンジンＥＣＵ８０は、第１温度センサ７７からの熱交換部２１ｃにおける温度、第２温度センサ７８からの熱交換部３１ｃにおける温度、第３温度センサ７９からの熱交換部５１ｃにおける温度を取り入れ、この温度が所定温度以上となった場合に所定モータ回転数にするための信号をウォータポンプ７３に送信するとともに、バルブを開くための信号をバルブ７４，７５，７６にそれぞれ送信する。バルブ７４，７５，７６の開閉は、熱交換部２１ｃ，３１ｃ，５１ｃでの各温度に基づいて個別に行う。このように熱交換部２１ａ，３１ａ，５１ａにおける温度が所定温度に達した場合に冷却部２１ｃ，３１ｃ，５１ｃに冷却水を流すので、常時冷却水を流すときよりも熱交換部２１ａ，３１ａ，５１ａにおける温度が高温となり、熱電変換モジュール２１ｂ，３１，５１ｂの発電効率が向上し、排気ガスの熱エネルギの回収効率を向上させる。
【０１２３】
また、エンジンＥＣＵ８０は、エンジンの始動開始後所定時間が経過するまで（例えば、５分間経過するまで）、モータ回転数を０にするための信号をウォータポンプ７３に送信するとともに、バルブを閉じるための信号をバルブ７４，７５，７６にそれぞれ送信する。このようにエンジンのコールドスタート時には、冷却部２１ｃ，３１ｃ，５１ｃへの冷却水の供給を停止して排熱発電を停止し、触媒温度の昇温を促進させる。
【０１２４】
また、エンジンＥＣＵ８０は、エンジンの停止直後、モータ回転数を所定回転数に維持するための信号をウォータポンプ７３に送信するとともに、バルブを開いた状態を維持する信号をバルブ７４，７５，７６にそれぞれ送信する。このようにエンジンの停止直後も冷却部２１ｃ，３１ｃ，５１ｃへの冷却水の供給を継続し、エンジンの停止後も熱交換部２１ａ，３１ａ，５１ａに蓄えられている熱エネルギを利用して発電を行い、排気ガスの熱エネルギの回収効率を向上させる。なお、冷却水を供給する期間は、エンジンの停止後所定時間経過するまででもよいし、熱交換部２１ａ，３１ａ，５１ａの温度が低下するまででもよいし、あるいは、発電量が０になるまででもよい。
【０１２５】
また、エンジンＥＣＵ８０は、排気ガス温度センサ（図示せず）から排気ガスの温度を取り入れ、この排気ガスの温度が触媒の活性温度における下限温度未満の場合には低出力用流路５に排気ガスを流すための信号を流路切換装置８のアクチュエータ８ｍに送信し、排気ガスの温度が下限温度以上の場合には高出力用流路６に排気ガスを流すための信号をアクチュエータ８ｍに送信する。排気ガス温度センサは、サーミスタ等の温度センサであり、第２触媒装置３の入口又は出口における排気ガスの温度を検出する。このように第２触媒装置３における触媒が活性温度に達していない場合（エンジンの低出力時（特に、エンジンのコールドスタート時））には低出力用流路５に排気ガスを流して第１触媒装置２で排気ガスを浄化するとともに第２触媒装置３で排気ガスの熱エネルギを電気エネルギとして回収し、触媒が活性温度に達した場合（エンジンの中〜高出力時）には高出力用流路６に排気ガスを流して第２触媒装置３で排気ガスを浄化するとともに第１触媒装置２及び第２触媒装置３で排気ガスの熱エネルギを電気エネルギとして回収する。
【０１２６】
このように、冷却システム９は、ラジエータを２分割構造とすることにより、ラジエータを大型化することなく、エンジン用と排熱発電用との冷却を可能としている。そのため、排熱発電用としてラジエータの搭載スペースを別に確保する必要はなく、コスト的にも抑えることができる。また、冷却システム９は、排熱発電用ラジエータ７０Ａの冷却能力もエンジン用に利用可能とすることにより、エンジンの高負荷時でもエンジンの高温化やオーバヒートを防止することができる。
【０１２７】
また、冷却システム９は、排熱発電用ラジエータ７０Ａの冷却水の低温化、冷却部２１ｃ，３１ｃ，５１ｃへの冷却水の流量の調整、エンジンの停止後の冷却部２１ｃ，３１ｃ，５１ｃへの冷却水の供給等により、排気ガスの熱エネルギの回収効率を向上させる。また、冷却システム９は、エンジンの開始後の冷却部２１ｃ，３１ｃ，５１ｃへの冷却水の供給停止により、触媒温度の昇温を促進させる。
【０１２８】
また、排気システム１は、低出力用流路５と高出力用流路６とを切り換えることにより、エンジンが低出力時（特に、コールドスタート時）に触媒温度の昇温を促進するとともに、エンジンの中〜高出力時に触媒の熱劣化の防止と排気ガスの熱エネルギの高い回収効率とを可能とする。
【０１２９】
次に、図１、図２０等を参照して、排気システム１における動作について説明する。ここでは、エンジンのスタート時の状態１（スタートから５分経過するまで）、エンジン暖気後の低出力の状態２（時速６０ｋｍ／ｈ以下）、状態２からエンジン出力を増加させた中出力の状態３（時速１２０ｋｍ／ｈ以下）、状態３からエンジン出力を若干減少させた状態４、状態３からエンジン出力を大幅に減少させた状態５（状態２に戻る）、状態３からエンジン出力を大幅に増加させた高出力の状態６（時速１２０ｋｍ／ｈ以上で加速）、エンジンの停止直後の状態７の７つの状態での動作について説明する。
【０１３０】
状態１における動作について説明する。この状態では、排気ガスの熱エネルギが少なく、排気ガスの温度も低い。そこで、排気システム１では、エンジンＥＣＵ８０からの指令によって流路切換装置８により排気ガスを流す流路を低出力用流路５とし、エンジンからの排気ガスを第１触媒装置２の触媒管２０ａ、第２触媒装置３の熱交換部３１ａ，・・・、排熱発電装置４の熱交換部５１ａ，・・・に流す。第１触媒装置２の触媒ユニット２０では、ユニットの小型化、エキゾーストマニホールドＥＭの直下への配置、排熱発電ユニット２１，・・・による２重の断熱効果により、触媒温度の昇温が促進される。そのため、エンジンのコールドスタートで排気ガスの温度が低いにもかかわらず、早期に触媒温度が活性温度に達し、排気ガスの浄化を開始できる。この際、排気ガスの熱エネルギを触媒温度の昇温に使うので、この熱エネルギによる発電を行えない。そこで、排気システム１では、エンジンＥＣＵ８０からの指令によってウォータポンプ７３の回転停止及び第１〜第３バルブ７４〜７６の全閉により冷却部２１ｃ，３１ｃ，５１ｃへの冷却水の供給を停止し、排熱発電ユニット２１，３１，５１での発電を停止する。
【０１３１】
状態２における動作について説明する。この状態では、第１触媒装置２の触媒ユニット２０における触媒温度が活性温度に達しているので、排気ガスの熱エネルギを発電にも利用できる。そこで、排気システム１では、エンジンＥＣＵ８０からの指令によってウォータポンプ７３のモータ回転の開始及び第２バルブ７５を開くことにより冷却部３１ｃへの冷却水の供給を開始し、第２触媒装置３の排熱発電ユニット３１，・・・での発電を開始する。この際、排気ガスの熱エネルギはまだ少ないので、発電量は少ない。ちなみに、排気システム１では、エンジンからの排気ガスの流れは状態１と同じであり、第１触媒装置２の触媒ユニット２０で排気ガスを浄化している。
【０１３２】
状態３における動作について説明する。この状態では、排気ガスの熱エネルギが多くなり、第２触媒装置３の触媒ユニット３０における触媒温度も活性温度に達している。そこで、排気システム１では、エンジンＥＣＵ８０からの指令によって流路切換装置８により排気ガスを流す流路を高出力用流路６に切り換え、エンジンからの排気ガスを第１触媒装置２の熱交換部２１ａ，・・・、第２触媒装置３の触媒管３０ａ、排熱発電装置４の熱交換部５１ａ，・・・に流す。排気システム１では、第１触媒装置２の触媒ユニット２０での排気ガスの浄化を停止し、第２触媒装置３の触媒ユニット３０で排気ガスを浄化する。したがって、排気ガスの温度が高くなっているが、エキゾーストマニホールドＥＭの直下に配置されている第１触媒装置２の触媒ユニット２０には排気ガスが流れないので、触媒ユニット２０の触媒の熱劣化を防止することができる。また、排気システム１では、エンジンＥＣＵ８０から指令によってウォータポンプ７３のモータ回転及び第２バルブ７５の開状態を継続することにより冷却部３１ｃへの冷却水の供給を継続し、第２触媒装置３の排熱発電ユニット３１，・・・での発電を継続させる。この場合、第２触媒装置３の熱交換部３１ａ，・・・には排気ガスは流れていないが、触媒ユニット３０における触媒セルの形状により触媒管３０ａを流れる排気ガスの熱エネルギが熱交換部３１ａ，・・・に効率的に伝導され、この熱エネルギによって発電が行われる。この際、排気ガスの熱エネルギは増えてきているので、発電量もそれに応じて増加している。
【０１３３】
特に、第２触媒装置３の出口での温度（ひいては、触媒ユニット３０の触媒温度）が活性温度より高い場合、その温度を下げるために、排気ガスの熱エネルギを第２触媒装置３の上流側で回収する必要がある。そこで、排気システム１では、エンジンＥＣＵ８０からの指令によってウォータポンプ７３のモータ回転数の増加及び第１バルブ７４を開くことにより冷却部２１ｃ，・・・への冷却水の供給を開始し、第１触媒装置２の排熱発電ユニット２１，・・・での発電を開始する。そのため、排気システム１では、第２触媒装置３の上流側で排気ガスの熱エネルギが回収され、第２触媒装置３の触媒ユニット３０の触媒温度を低下させることができ、触媒ユニット３０の触媒の熱劣化を防止することができる。また、排気システム１では、第１触媒装置２において触媒ユニット２０の外側の排熱発電ユニット２１，・・・で排気ガスの熱エネルギを回収するので、触媒ユニット２０の触媒の熱劣化を更に防止する。さらに、排気システム１では、発電量が増加して排気ガスの熱エネルギの回収効率が高くなる。
【０１３４】
状態４における動作について説明する。この状態では、排気ガスの熱エネルギが若干少なくなったので、第２触媒装置３の触媒ユニット３０の触媒温度が活性温度より低くなるのを未然に防ぐ必要がある。そこで、排気システム１では、エンジンＥＣＵ８０からの指令によってウォータポンプ７３のモータ回転数の減少及び第１バルブ７４を閉じることにより冷却部２１ｃ，・・・への冷却水の供給を停止し、第１触媒装置２の排熱発電ユニット２１，・・・での発電を停止する。そのため、排気システム１では、第１触媒装置２での排気ガスの熱エネルギの回収が停止することによって、第２触媒装置３の触媒ユニット３０の触媒温度の低下を防止し、触媒ユニット３０で排気ガスの浄化を継続して行う。
【０１３５】
状態５における動作について説明する。この状態では、排気ガスの熱エネルギが急激に減少するので、第２触媒装置３の触媒ユニット３０の触媒温度が低下して排気ガスの浄化ができなくなる。そこで、排気システム１では、エンジンＥＣＵ８０からの指令によって流路切換装置８により排気ガスを流す流路を低出力用流路５に切り換え、エンジンからの排気ガスを第１触媒装置２の触媒管２０ａ、第２触媒装置３の熱交換部３１ａ，・・・、排熱発電装置４の熱交換部５１ａ，・・・に流す。そのため、排気システム１では、第１触媒装置２の触媒ユニット２０で排気ガスの浄化を開始し、排気ガスの浄化ができなくなる状態を未然に回避する。また、排気システム１では、エンジンＥＣＵ８０から指令によってウォータポンプ７３のモータ回転及び第２バルブ７５の開状態を継続することにより冷却部３１ｃへの冷却水の供給を継続し、第２触媒装置３の排熱発電ユニット３１，・・・での発電を継続させる。
【０１３６】
状態６における動作について説明する。この状態では、排気ガスの熱エネルギが非常に大きくなるので、熱エネルギの回収能力を上げ、触媒の熱劣化を防止する必要がある。そこで、排気システム１では、エンジンＥＣＵ８０からの指令によってウォータポンプ７３のモータ回転数の増加及び第３バルブ７６を開くことにより冷却部５１ｃ，・・・への冷却水の供給を開始し、排熱発電装置４の排熱発電ユニット５１，・・・での発電を開始する。また、第１触媒装置２の排熱発電ユニット２１，・・・での発電を停止している場合、排気システム１では、エンジンＥＣＵ８０からの指令によって第１バルブ７４を開くことにより冷却部２１ｃ，・・・への冷却水の供給も開始し、第１触媒装置２の排熱発電ユニット２１，・・・での発電も開始する。そのため、排気システム１では、第１触媒装置２、第２触媒装置３及び排熱発電装置４での排気ガスの熱エネルギの回収が行われ、システムとして最大の回収能力を発揮させて熱エネルギの回収を行う。そのため、発電量は、非常に多くなる。また、排気ガスの温度が高くなっているが、第１触媒装置２、第２触媒装置３及び排熱発電装置４で排気ガスの熱エネルギを回収するので、触媒ユニット２０及び触媒ユニット３０の触媒の熱劣化を防止することができる。
【０１３７】
状態７における動作について説明する。この状態では、エンジンが停止しているので新たに排気ガスの熱エネルギが発生しないが、熱交換部２１ａ，３１ａ，５１ａにはまだ熱エネルギが蓄積されている。そこで、排気システム１では、エンジンＥＣＵ８０からの指令によってウォータポンプ７３の回転を継続及び第１〜第３バルブ７４〜７６の開状態を継続することにより冷却部２１ｃ，３１ｃ，５１ｃへの冷却水の供給を継続し、第１触媒装置２、第２触媒装置３、排熱発電装置４の排熱発電ユニット２１，３１，５１での発電を継続する。そして、排気システム１では、熱交換部２１ａ，３１ａ，５１ａに熱エネルギが無くなったと判断した場合、エンジンＥＣＵ８０からの指令によってウォータポンプ７３の回転を停止及び第１〜第３バルブ７４〜７６の閉じることにより冷却部２１ｃ，３１ｃ，５１ｃへの冷却水の供給を停止し、第１触媒装置２、第２触媒装置３、排熱発電装置４の排熱発電ユニット２１，３１，５１での発電を終了する。この場合の発電量は、熱交換部２１ａ，３１ａ，５１ａに蓄積されている熱エネルギ量による。ちなみに、排気システム１では、低出力用流路５及び高出力用流路６には排気ガスが流れない。
【０１３８】
この排気システム１によれば、２つの低出力用流路５と高出力用流路６とを切り換えて排気ガスを流すとともに排気ガスの熱エネルギが多い場合には排熱発電ユニット２１，３１，５１でその熱エネルギを回収するので、触媒ユニット２０，３０の触媒の熱劣化を防止することができる。そのため、触媒の熱劣化を見込んで触媒の担持量を多くする必要がないので、高コストの貴金属である触媒の担持量を減らすことができる。特に、排気ガスの熱エネルギが少なくときにしか上流側の触媒ユニット２０には排気ガスを流さないので、第１触媒装置２をエキゾーストマニホールドＥＭの直下に配置させることもでき、触媒温度の昇温を促進できる。
【０１３９】
また、排気システム１によれば、３箇所に配置された排熱発電ユニット２１，３１，５１で効率的にその熱エネルギを回収するので、排気ガスの熱エネルギの回収効率が高い。その際、排気システム１では、冷却システム９により冷却部２１ｃ，３１，５１ｃへの冷却水の流量を調整することによって排熱発電ユニット２１，３１，５１における発電を制御することができる。特に、排気システム１では、第２触媒装置３における触媒ユニット３０の触媒セルの形状を熱エネルギが排熱発電ユニット３１に移動し易い形状としているので、第２触媒装置３では排気ガスの浄化と排熱発電とを共存でき、その排熱発電の回収効率も高い。
【０１４０】
また、この排気システム１によれば、第１触媒装置２をエキゾーストマニホールドＥＭの直下に配置するとともに触媒ユニット２０を小型化しているので、エンジンのコールドスタート時でも排気ガスの浄化を早期に開始できる。
【０１４１】
また、この排気システム１によれば、第１触媒装置２及び第２触媒装置３を熱電変換モジュール２１ｂ，３１ｂをばね構造体によって固定しているので、熱電変換モジュール２１ｂ，３１ｂを適正な押えつけ力で固定できるとともに熱膨張による様々な不具合現象を防止することができる。
【０１４２】
図２２、図２３を参照して、第２の実施の形態に係る排気システム８１について説明する。図２２は、第２の実施の形態に係る排気システムにおける第１触媒装置及びエキゾーストマニホールドの斜視図である。図２３は、図２２の第１触媒装置の側断面図である。なお、ここでの説明では、第１の実施の形態に係る排気システム１と異なる点のみ説明する。
【０１４３】
排気システム８１は、第１の実施の形態に係る排気システム１と略同様の構成を有するが、第１触媒装置８２，・・・をエキゾーストマニホールドＥＭの分岐管８３，・・・の最上流部にそれぞれ配設したこと及び第１触媒装置８２の構成が異なる。排気システム８１は、４つの第１触媒装置８２，・・・を備え、それ以外は排気システム１と同様の構成である。排気システム８１では、第１触媒装置８２，・・・がエキゾーストマニホールドＥＭの分岐管８３，・・・にそれぞれの最上流部に配設され、エキゾーストマニホールドＥＭの直下に第２触媒装置（図示せず）が配設され、更にその下流に排熱発電装置（図示せず）が配設される。
【０１４４】
エキゾーストマニホールドＥＭは、低出力用流路と高出力用流路とを形成するために二重管構造となっており、４つの分岐管８３，・・・の内部に内管（図示せず）が各々設けられている。内管内に形成される流路は、低出力用流路を形成している。また、分岐管８３，・・・と内管との間に形成される流路は、高出力用流路を形成している。
【０１４５】
第１触媒装置８２は、第１の実施の形態に係る第１触媒装置２と略同様の構成であり、中央部に触媒ユニット９０を有し、触媒ユニット９０の周りに８個の排熱発電ユニット９１，・・・が配設される。第１触媒装置８２には、周方向に沿って４個の排熱発電ユニット９１，・・・が配置され（図２３参照）、長手方向に沿って２個の排熱発電ユニット９１Ａ，９１Ｂが配置される（図２２参照）。第１触媒装置８２では、低出力用流路を流れる排気ガスを触媒ユニット９０で浄化し、高出力用流路を流れる排気ガスの熱エネルギを各排熱発電ユニット９１，・・・で電気エネルギに変換する。第１触媒装置８２には、最上流部にエンジンのシリンダヘッドの取付面８４と直接接続する排気導入管９２が配設され、最下流部には分岐管８３が直接接続する。したがって、第１触媒装置８２は、エンジンの排気ガスの出口の直下に配置されることになり、気筒毎に設けられる。
【０１４６】
触媒ユニット９０は、第１触媒装置８２の中央に配設される触媒管９０ａを備えている。触媒管９０ａは、エキゾーストマニホールドＥＭの分岐管８３にそれぞれ設けられる内管の一部となる。触媒管９０ａにはエンジンの各気筒から排出される排気ガスが直接流れ込み、排気ガスの熱エネルギの放熱ロスが殆どない。そこで、触媒ユニット９０では、触媒管９０ａを第１の実施の形態に係る触媒管２０ａより更に細く構成し、三元触媒の量を少なくし、触媒による熱容量を少なくしている。
【０１４７】
排熱発電ユニット９１，・・・は、触媒管９０ａの周りに９０°毎に等間隔で配設されるとともに、触媒管９０ａの長手方向に沿って隣接して配設される。排熱発電ユニット９１は、熱交換部９１ａ、熱電変換モジュール９１ｂ、冷却部９１ｃ、ばねクランプ部９１ｄを備えており、熱エネルギが移動する系並びにばねクランプシステムを構成している。
【０１４８】
なお、第２の実施の形態では、熱交換部９１ａが特許請求の範囲に記載の第１熱交換部に相当し、熱電変換モジュール９１ｂが特許請求の範囲に記載の第１熱電変換部に相当し、冷却部９１ｃが特許請求の範囲に記載の第１冷却部に相当し、ばねクランプ部９１ｄが特許請求の範囲に記載の第１弾性部に相当する。
【０１４９】
熱交換部９１ａは、触媒管９０ａの長手方向に沿って配設される２つの排熱発電ユニット９１Ａ，９１Ｂの熱交換部が一体で形成され、触媒管９０ａと同じ長さを有する。排気導入管９２と分岐管８３との間には、４個の熱交換部９１ａ，・・・が溶接等によって接続される。そして、４個の熱交換部９１ａ，・・・は、触媒管９０ａに９０°毎に配置され、高出力用流路を各々形成している。４個の熱交換部９１ａ，・・・は、周方向に沿って連結され、側面視して略正四角形になる。
【０１５０】
熱電変換モジュール９１ｂ、冷却部９１ｃは第１触媒装置２のものと同様の構成であるが、ばねクランプ部９１ｄは板ばねを備えない点が異なる。板ばねを供えない場合でも、クランプ９１ｋの弾性力発生部９１ｍの弾性力により、ばねクランプ部９１ｄはばね構造体として機能する。
【０１５１】
この排気システム８１によれば、第１触媒装置８２，・・・をエンジンからの排気ガスの出口の直近に配置しているので、触媒管９０ａ，・・・に流れ込む排気ガスが殆ど放熱ロスしない。そのため、触媒ユニット９０を更に小型化でき、触媒温度の昇温を更に促進できる。その結果、エンジンのコールドスタート時には、排気ガスの浄化を一層早期に行うことができる。また、触媒ユニット９０における触媒の担持量も減らすことができる。
【０１５２】
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。
【０１５３】
例えば、本実施の形態では排熱発電装置を自動車に適用したが、排気ガスを排出する内燃機関を備える他のものに適用してもよい。
【０１５４】
また、本実施の形態では第１触媒装置及び第２触媒装置において触媒ユニットの周りに複数個の排熱発電ユニットを配置させて一体で構成としたが、触媒ユニットと排熱発電ユニットとを流路上に直列に配置させる等の他の構成でもよい。
【０１５５】
また、本実施の形態では排熱発電ユニットを１８個、３２個、１６個、８個有する構成としたが、配置するスペースや形状等を考慮して、周方向や長手方向に適宜の個数の排熱発電ユニットを配置し、適宜の個数の排熱発電ユニットを有する構成としてもよい。
【０１５６】
また、本実施の形態では第１触媒装置、第２触媒装置以外に排熱発電装置を備える構成としたが、第１触媒装置及び第２触媒装置で排気ガスの熱エネルギを十分に回収することができる場合には排熱発電装置を備えない構成としてもよい。
【０１５７】
また、本実施の形態では触媒装置の冷却部間はジャバラパイプで接続し、排熱発電装置の冷却部間はジョイントパイプで接続する構成としたが、触媒装置の冷却部間をジョイントパイプで接続しあるいは排熱発電装置の冷却部間はジャバラパイプで接続してもよいし、冷却部間を屈曲自在に接続できるものであればよいので、これらの部材以外にもゴムホース等の他のものでもよい。
【０１５８】
また、第１の実施の形態ではばねクランプ部において板ばね及びクランプによって弾性力を発生させる構成としたが、いずれか一方で弾性力を発生させる構成としてもよい。また、板ばね以外にも弾性力を有する他の部材でもよいし、クランプにおいても弾性力発生部以外の弾性力を発生する他の形状でもよい。
【０１５９】
また、本実施の形態ではばねクランプ部において押圧部材が点接触する構成としたが、線接触する構成としてもよい。
【０１６０】
また、本実施の形態では流路切換装置において高出力用バルブを低出力用バルブより大径に構成したが、高出力用バルブの数を低出力用バルブの数より多くして、エンジンの出力の違いによる排気ガスの流量の違いに対応してもよい。
【０１６１】
また、本実施の形態では排熱発電用ラジエータとエンジン用ラジエータを一体構造としたが、別体でもよい。
【０１６２】
また、本実施の形態では冷却部への冷却水の流量調整をウォータポンプの回転数制御とバルブの開度制御で行ったが、いずれか一方だけでもよい。
【０１６３】
また、本実施の形態では排熱発電ユニットの冷却部への冷却水の流量を調整するためにウォータポンプの回転数制御や第１〜第３バルブの開閉制御を熱交換部の温度に基づいて行う構成としたが、排熱発電における発電量、スロットルバルブの開度、燃料の供給量等の他のものに基づいて行ってよい。発電量の場合には発電量が所定発電量以上の場合に冷却水を流し、スロットル開度の場合には所定開度以上の場合に冷却水を流し、燃料供給量の場合には所定供給量以上の場合に冷却水を流す。
【０１６４】
また、本実施の形態では冷却部への冷却水を供給するか否かによる流量調整としたが、熱交換部における温度等に応じて流量を多段階や無段階で調整するようにしてもよい。
【０１６５】
また、本実施の形態では流路切換装置の切換制御を第２触媒装置の入口又は出口での排気ガスの温度に基づいて行う構成としたが、スロットルバルブの開度、燃料供給量、吸入空気量、熱交換部における温度等のエンジンの出力状態（ひいては、排気ガスの熱エネルギ量）を推定できる他のものに基づいて行ってもよい。
【０１６６】
【発明の効果】
本発明によれば、排熱発電の回収効率を向上させることができるとともに、触媒の熱劣化も防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る排気システムの一部破断正面図である。
【図２】図１のエキゾーストマニホールドの平面図である。
【図３】図１のエキゾーストマニホールドの正面図である。
【図４】図１の第１触媒装置の正面図である。
【図５】図１の第１触媒装置の側面図（上流側）である。
【図６】図４の正面図におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図７】図４の正面図におけるＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【図８】図１の第２触媒装置の正面図である。
【図９】図１の第２触媒装置の側面図（上流側）である。
【図１０】図８の正面図におけるＣ−Ｃ線に沿った断面図である。
【図１１】図８の正面図におけるＤ−Ｄ線に沿った断面図である。
【図１２】図１０の断面図における触媒ユニットの拡大図である。
【図１３】図１の排熱発電装置の正面図である。
【図１４】図１の排熱発電装置の側面図（上流側）である。
【図１５】図１３の正面図におけるＥ−Ｅ線に沿った断面図である。
【図１６】図１４の側面図におけるＦ−Ｆ線に沿った断面図である。
【図１７】図１の流路切換装置の正面図である。
【図１８】図１の流路切換装置の側面図である。
【図１９】図１７の正面図におけるＧ−Ｇ線に沿った断面図である。
【図２０】本実施の形態に係る排気システムにおける冷却システムの構成図である。
【図２１】図２０のラジエータにおけるＨ−Ｈ線に沿った断面図である。
【図２２】第２の実施の形態に係る排気システムにおける第１触媒装置及びエキゾーストマニホールドの斜視図である。
【図２３】図２２の第１触媒装置の側断面図である。
【符号の説明】
１，８１…排気システム、２，８２…第１触媒装置、３…第２触媒装置、４…排熱発電装置、５…低出力用流路、６…高出力用流路、７…合流用流路、８…流路切換装置、８ａ…装置本体、８ｂ…シャフト、８ｃ…低出力用バルブ、８ｄ…高出力用バルブ、８ｅ…低出力用バルブ孔、８ｆ…高出力用バルブ孔、８ｇ〜８ｉ…シャフト孔、８ｊ，８ｋ…軸受ブッシュ、８ｌ…連結部材、８ｍ…アクチュエータ、８ｎ，８ｏ…ビス、９…冷却システム、１０，８４…取付面、１１…合流部材、１１ａ…取付部、１２，８３…分岐管、１３…内管、１４…合流管、２０，３０，９０…触媒ユニット、２０ａ，３０ａ，９０ａ…触媒管、２０ｂ，３０ｃ…縦方向骨格部材、２０ｃ，３０ｄ…横方向骨格部材、３０ｂ…分割部材、２１，２１Ａ〜２１Ｃ，３１，３１Ａ〜３１Ｄ，５１，５１Ａ〜５１Ｄ，９１，９１Ａ，９１Ｂ…排熱発電ユニット、２１ａ，３１ａ，５１ａ，９１ａ…熱交換部、２１ｂ，３１ｂ，５１ｂ，９１ｂ…熱電変換モジュール、２１ｃ，３１ｃ，５１ｃ，９１ｃ…冷却部、２１ｄ，３１ｄ，５１ｄ，９１ｄ…ばねクランプ部、２１ｅ，３１ｅ，５１ｅ…熱交換フィン、２１ｆ，３１ｆ，５１ｆ…冷却蓋、２１ｇ，３１ｇ，５１ｇ…冷却本体、２１ｈ，３１ｈ，５１ｈ…冷却フィン、２１ｉ，３１ｉ，５１ｉ…板ばね、２１ｊ，３１ｊ，５１ｊ…押圧部材、２１ｋ，３１ｋ，５１ｋ…クランプ、２１ｍ，３１ｍ，５１ｍ，９１ｍ…弾性力発生部、２１ｎ，３１ｎ，５１ｎ…ボルト、２１ｏ，３１ｏ，５１ｏ…ナット、２１ｐ，３１ｐ，５１ｐ…緩衝部材、５１ｑ…冷却水管、３１ｑ…緩衝シート、２２…排気導入管、２３，３３，３４，５３，５４…取付部材、２４…低出力用排気排出管、２５…高出力用排気排出管、２６，２７，４０，４１，５９，６０…冷却水パイプ、２８，４２…ジャバラパイプ、２９，４３，６１…冷却水ホース、３５…低出力用排気導入管、３６…高出力用排気導入管、３７…合流用排気排出管、３８，３９…接続部材、５５…排気導入管、５６…排気排出管、５７…分割排気管、５７ａ…開口部、５８…ジョイントパイプ、７０…ラジエータ、７０ａ…分割壁、７０ｂ…上側バルブ、７０ｃ…下側バルブ、７０ｄ，７０ｅ…ファン、７０Ａ…排熱発電用ラジエータ、７０Ｂ…エンジン用ラジエータ、７１…冷却水温度センサ、７２…切換装置、７２ａ…バルブ、７３…ウォータポンプ、７４…第１バルブ、７５…第２バルブ、７６…第３バルブ、７７…第１温度センサ、７８…第２温度センサ、７９…第３温度センサ、８０…エンジンＥＣＵ

Claims

内燃機関から排出された排気ガスを触媒により浄化するとともに排気ガスの熱エネルギによって発電する排気システムであって、
排気ガスを触媒により浄化する第１排気浄化手段と、
前記第１排気浄化手段の下流側に配置され、排気ガスを触媒により浄化する第２排気浄化手段と、
前記第２排気浄化手段の上流側に配置され、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する第１熱電変換部と、前記第１熱電変換部の一端面に排気ガスの熱エネルギを伝導する第１熱交換部と、前記第１熱電変換部の他端面を冷却する第１冷却部とを有する第１排熱発電手段と、
前記第１排気浄化手段の下流側に配置され、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する第２熱電変換部と、前記第２熱電変換部の一端面に排気ガスの熱エネルギを伝導する第２熱交換部と、前記第２熱電変換部の他端面を冷却する第２冷却部とを有する第２排熱発電手段と、
前記第１排気浄化手段と前記第２排熱発電手段の第２熱交換部とに排気ガスを流す第１排気通路と、
前記第２排気浄化手段と前記第１排熱発電手段の第１熱交換部とに排気ガスを流す第２排気通路と、
前記第１排気通路と前記第２排気通路とを切り換える切換手段と、
前記切換手段の切り換えを制御する制御手段と
を備え、
前記制御手段は、前記内燃機関が低出力の場合には前記切換手段によって前記第１排気通路に切り換え、前記内燃機関が低出力でない場合には前記切換手段によって前記第２排気通路に切り換えることを特徴とする排気システム。
前記第１排気浄化手段は、前記第２排気浄化手段より小さいことを特徴とする請求項１に記載する排気システム。
前記第１排熱発電手段及び／又は前記第２排熱発電手段は、周方向に複数個配置され、
前記第１排熱発電手段が周方向に複数個配置される場合には前記第１触媒浄化手段の周りに複数個の第１熱交換部を配置し、前記第２排熱発電手段が周方向に複数個配置される場合には前記第２触媒浄化手段の周りに複数個の第２熱交換部を配置することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載する排気システム。
前記切換手段は、前記第１排気通路を開閉する第１バルブと、前記第２排気通路を開閉する第２バルブと、前記第１バルブと前記第２バルブとが取り付けられる回転軸とを有し、
前記回転軸が回転することによって、前記第１排気通路の開閉と前記第２排気通路の開閉とが逆になることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載する排気システム。
前記第１冷却部及び前記第２冷却部に冷媒を供給する排熱発電用ラジエータを備え、
前記制御手段は、前記第１冷却部に流す冷媒の流量及び前記第２冷却部に流す冷媒の流量を制御することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載する排気システム。
前記排熱発電用ラジエータから前記第１冷却部及び前記第２冷却部に冷媒を循環させる電動ポンプを備え、
前記制御手段は、前記電動ポンプの回転数を制御することを特徴とする請求項５に記載する排気システム。
前記第１冷却部に流す冷媒の流量を調整する第１冷媒バルブと、
前記第２冷却部に流す冷媒の流量を調整する第２冷媒バルブと
を備え、
前記制御手段は、前記第１冷媒バルブの開度及び前記第２冷媒バルブの開度を制御することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載する排気システム。
前記排熱発電用ラジエータの冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段を備え、
前記制御手段は、前記冷媒温度検出手段で検出した冷媒温度に基づいて、前記排熱発電用ラジエータのファンの回転数を制御することを特徴とする請求項５〜請求項７のいずれか１項に記載する排気システム。
内部が分割構造であり、前記排熱発電用ラジエータと内燃機関用ラジエータとが分離して設けられるラジエータと、
前記排熱発電用ラジエータの冷媒の供給先を前記第１冷却部及び前記第２冷却部と前記内燃機関とに切り換える冷媒切換バルブと
を備え、
前記制御手段は、前記冷媒切換バルブの切り換えを制御することを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載する排気システム。
前記第１排熱発電手段及び／又は前記第２排熱発電手段は、周方向に複数個配置され、
前記第１排熱発電手段が周方向に複数個配置される場合、前記第１触媒浄化手段の周りに複数個の第１排熱発電手段を配置し、各第１排熱発電手段の第１冷却部の外側に第１弾性部を配置し、当該第１弾性部により当該第１冷却部を外側から押圧して第１熱電変換部を固定し、前記第２排熱発電手段が周方向に複数個配置される場合、前記第２触媒浄化手段の周りに複数個の第２排熱発電手段を配置し、各第２排熱発電手段の第２冷却部の外側に第２弾性部を配置し、当該第２弾性部により当該第２冷却部を外側から押圧して第２熱電変換部を固定することを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載する排気システム。
前記第１弾性部及び／又は前記第２弾性部は、押圧部材を有し、
前記押圧部材が点接触又は線接触することを特徴とする請求項１０に記載する排気システム。
前記第１弾性部及び／又は前記第２弾性部は、弾性力をもつクランプ部材を有し、
前記クランプ部材により周方向に配置された前記第１冷却部又は前記第２冷却部を外側から押圧することを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載する排気システム。
前記周方向に複数個配置されている第１排熱発電手段及び／又は第２排熱発電手段は、周方向に配置されるいずれの第１熱電変換部又は第２熱電変換部の中心線でも対称構造であることを特徴とする請求項１０〜請求項１２のいずれか１項に記載する排気システム。
前記周方向に複数個配置されている第１排熱発電手段の内側に配置される第１触媒浄化手段及び／又は前記周方向に複数個配置されている第２排熱発電手段の内側に配置される前記第２触媒浄化手段は、触媒セルを形成するための複数の縦方向骨格部材と複数の横方向骨格部材とを有し、
前記縦方向骨格部材は排気ガスの流れ方向に対して略直交する面において前記第１熱電変換部又は前記第２熱電変換部に対して略直交方向に配置され、前記縦方向骨格部材の厚さが前記第１熱電変換部又は前記第２熱電変換部に近いほど太いことを特徴とする請求項１０〜請求項１３のいずれか１項に記載する排気システム。
前記横方向骨格部材間の間隔が、前記第１熱電変換部又は前記第２熱電変換部に近いほど広いことを特徴とする請求項１４に記載する排気システム。
前記第１排熱発電手段及び／又は前記第２排熱発電手段は、排気ガスの流れ方向に複数個配置され、
前記第１排熱発電手段が流れ方向に複数個配置される場合、隣接する第１冷却部を屈曲自在に連結し、前記第２排熱発電手段が流れ方向に複数個配置される場合、隣接する第２冷却部を屈曲自在に連結することを特徴とする請求項１０〜請求項１５のいずれか１項に記載する排気システム。