JP5977944B2 - 内燃機関用の排気システム - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念（所謂おいて部分、プリアンブル部分）に記載の各特徴を具備した内燃機関用の排気システムに関する。

背景技術については、例えば特許文献１が指摘される。この文献からは、吸気システムと排気システムとを備えた内燃機関が知られているが、そこでは排気システムと吸気システムとが、ＥＧＲ（排気再循環）装置を介してガスの導通が行われるように互いに接続されている。このＥＧＲ装置には、排出ガスの熱エネルギから電流を得るために、熱電発電機が配置されている。この熱電発電機へのＥＧＲラインからの最適給熱を保証するために、ＥＧＲラインの熱電発電機の前後にバルブが配設され、その動作制御が、制御装置により作動点に従属して行われるようになっている。熱電発電機の高温側と低温側との間の最適温度差を達成するために、熱電発電機の低温側は冷却回路に結合されている。

他にも本発明が前提技術とするところの特許文献２からは、熱電発電機を内燃機関の排気システムに配置することが知られているが、そこでは排気通路が、排出ガスを通す複数の平行に延びる分岐管に分割されている。これらの分岐管の各々には、二つの熱電発電機が配置され、それにより、排圧が極めて微小であるときの最適発電を達成できるようにしている。さらに、このように分岐された排気システムにより、取付け空間を大幅に節約できるようにしている。

この従来技術から知られている熱電発電機の配置方式は、効率が排気温により著しく左右されるために、熱電発電機の作動が最適となる内燃機関の回転域ないしは負荷域がかなり狭い点が短所となっている。それ以外にも、内燃機関が長時間にわたり高回転域ないしは高負荷域で運転される場合には、過熱の怖れを生じてしまう。

欧州特許出願公開第１４７５５３２号明細書 特開平０７−０１２００９公報

本発明の課題は、上述の短所を回避するとともに、熱電発電機による発電効率を向上することにある。

この課題は、請求項１の特徴部分に記載の特徴により解決される。
最も単純な実施形態においては、内燃機関の近傍に、熱伝導率が僅かな熱交換器を有する熱電発電機が配置され、内燃機関の遠方に、熱伝導率が高い熱交換器を有する第２の熱電発電機が配置されている。この対策により、第１の熱電発電機が、過度に高温となった排出ガスによる過熱により破壊されることが阻止されると同時に、既に冷却されて温度が低下した排出ガスに接続されてこれと協働するようになっている、熱伝導率が高い熱交換器を有している、第２の熱電発電機は、本発明に従ったこの対策により、低温時に一段と高い効率を有することになる。

請求項２に記載の構成方式は、非常に好ましい第１の実施形態である。

この非常に好ましい第２の変形実施形態については、請求項３に記載の構成方式によって、発電時には非常に優れた効率が達成されることになる。
請求項４に記載される制御方式は、非常に好ましい制御方式である。この制御装置が内燃機関制御装置である場合は、有利なことにも特性マップを利用した制御も可能となる。

請求項５に記載の構成方式により、熱電発電機の高温側と低温側との間の最適温度勾配が達成される。
請求項６に記載の構成方式により、熱電発電機の極めて急速な加熱が達成される。

以下では、二つの図に示される非常に好ましい実施例に基づいて、本発明を詳しく説明する。

内燃機関用の排気システムの本発明に従った第１の実施形態を示す概略図である。 内燃機関用の排気システムの本発明に従った第２の実施形態を示す概略図である。

以下では、いずれの図においても、同じ構成要素については同じ符号が使用される。
熱電発電機（ＴＥＧ）とは、以下では、高温側と低温側との間に温度差がある場合に電気を発生する半導体素子であると解釈される。熱電発電機は、従来技術から既に十分に知られているために、本出願においてはこれについて詳しく説明しない。他にも熱電発電機とは、一つの単独の半導体素子であるとも、また複数の単独の半導体素子を接続してパッケージとしたものであるとも解釈できるものである。

図１には、内燃機関２用の本発明に従った排気システム１の第１の実施形態が概略図で示されている。内燃機関２には、当初はデュアルパイプ式に構成された排気システム１が配置されるが、そこではそれぞれのパイプに対して排気浄化装置１０が一つずつ配置されている。内燃機関２の排出ガスの流れの向きで、これらの排気浄化装置１０の下流側では、排気システム１がシングルパイプ式に構成されている。これに続いて排気システムは、第１のバイパス管１’を有しており、そこに第１の熱電発電機３が配置されている。この第１の熱電発電機３の下流側のバイパス管１’には、閉止要素５が配置されている。第１のバイパス管１’は、この閉止要素５の下流側で、ガスが導通されるように排気システム１に再び開口している。排気システム１は、それに続いて第２のバイパス管１”を有しており、そこに第２の熱電発電機４が配置されている。この第２の熱電発電機４の下流側の第２のバイパス管にも同様に、この第２のバイパス管１”が、ガスが導通されるように排気システム１に開口しているところの手前側に、閉止要素５が配置されている。これに続いて排気システム１には、排出ガスの流れの向きで最初に数字が付されていないサブマフラー（ＭＳＤ）が配置され、続いて同様に数字が付されていないメインマフラー（ＮＳＤ）が配置されている。他にも第２のバイパス管１”と平行に延びる排気システム１には、排気システム１用の閉止要素５’が配置されている。

これらの閉止要素５、５’は、制御装置６、例えば内燃機関制御装置により、好適には特性マップを利用して内燃機関の作動点に従属して、動作制御を行うことができるようになっている。熱電発電機３、４は、高温側を排気システム１に接続して配置されて、内燃機関２の排出ガスによりこれらを加熱可能であるのに対して、熱電発電機３、４の低温側は、図示の実施例においては冷却回路７に接続されてこれと協働するようになっている。この冷却回路７は、クーラントを送り出すためのクーラントポンプ８とならび、クーラントを冷却するための二つの熱交換器９を有している。

熱電発電機３、４はいずれも、高温側と低温側との間に、所定の熱伝導率を有する熱交換器を一つずつ有している。本発明によれば、内燃機関に近い方の熱電発電機３の熱交換器の熱伝導率は、第２の熱電発電機４の熱交換器の熱伝導率よりも小さくなっている。排気システム１が本発明に従ってこのように構成されることにより、第１の熱電発電機３には、第２の熱電発電機４よりも高温の排出ガスが送られることになる。その影響、具体的には、排気システム１の全長に沿った、排出ガスの冷却は、それぞれの熱交換器が熱伝導率を異にすることによって補償されるようにしているが、それにより、配列全体の電流獲得効率は、大幅に増大されることになる。内燃機関の特定の作動点において、排出ガスが過度に高温となる場合は、第１の熱電発電機３の下流側の閉止要素５が閉じられるようになっており、それにより過熱が確実に回避されるようにしている。この時には高温の排出ガスが、なおも第２の熱電発電機４だけに通して導かれることになるが、第２の熱電発電機４は、排出ガスがそれまでの間に冷却されているために、依然としてフル稼働が可能である。内燃機関の回転数および／または負荷がなおも増大し続ける場合は、この第２の熱電発電機４を通過する排気流も、第２の熱電発電機４の下流側の閉止要素５により遮断されるようにするとよい。それにより熱電発電機３、４は両方とも、過熱から確実に保護されることになる。排気システム１に配設された閉止要素５’により、有利なことにも、発電目的での最速加熱のために、全排気流を熱電発電機３、４に通して導くことが可能となる。

別の実施例において、同様に熱伝導率を異にするさらに別の熱電発電機を、さらに別のバイパス管に備えるようにしてもよい。また、例えば空冷システムが備えられる場合など、一定の事情によっては、冷却回路７を廃止することも可能である。他にも、熱交換器９の個数を二基から大型熱交換器一基だけに減らしたり、複数の小型熱交換器に増やしたりすることも可能である。排気浄化装置１０についても、別の実施例においては、別の場所で排気システム１に組み込まれるようにしてもよい。閉止要素５、５’の配置方式についても、別の実施例においては、排出ガスが流れる向きで例えば熱電発電機３、４の上流側にこれらが配置されるように、構成されてもかまわない。閉止要素５、５’としては、例えば排気フラップまたはロータリーバルブが使用されるとよい。流れ損失を極微小にとどめるために、排気システム１およびバイパス管１’、１”の排出ガスが通過する断面積を等しくすることが好ましい。

図２には、内燃機関２用の本発明に従った排気システム１の非常に好ましい第２の実施例が概略図で示されている。この非常に好ましい第２の実施例は、非常に好ましい第１の実施例に対して、熱電発電機３、４、１１（この実施例においては三基の熱電発電機が使用される）が、分岐された同じ一つのバイパス管１'''の内部に互いに並列に配置される点で相違している。非常に好ましい第１の実施例においても既にそうであったように、この非常に好ましい第２の実施例においても、これらの熱電発電機３、４、１１はいずれも、熱伝導率を異にする熱交換器を一つずつ有している。それにより、排出ガスの流れの向きでこれらの熱電発電機３、４、１１の下流側に配置される閉止要素５を利用して、内燃機関の運転状態に応じて、すなわち回転数ないしは要求トルクに従属して、従って排気温に対応して、排出ガスを、それぞれ一基、または他にも二基、または他にも、排気システム１の閉止要素５’が閉じられる場合は三基全ての熱電発電機に通して導くことができるようにしている。排出ガスが、内燃機関の運転状態に基づき、高負荷または高回転数のために過度に高温となり、少なくとも一つの熱電発電機３、４、１１の熱破壊を生じかねない場合には、これらの閉止要素５がみな完全に閉じられるようにするとよいが、その場合は、第１の実施例において説明したように、高温の排出ガスは、排気管路１だけを通り流れることができる。従って熱電発電機３、４、１１の熱破壊は確実に回避されることになる。それ以外にも、非常に好ましい第１の実施例に関する説明は全て、この非常に好ましい第２の実施例についても当てはまる。

非常に好ましい第２の実施例の実際の配置方式は、次のようなものとなる。
第１ＴＥＧ３：非常に活動的な高温ガス用熱交換器（例えば高密度フィンタイプの熱交換器）。本発明に従った排気システム１を搭載した車両が３０〜７０ｋｍ／ｈの速度域にあるときに、この熱電発電機３は最大出力となる。
第２ＴＥＧ４：１段目に対して出力が低下された高温ガス用熱交換器（例えばフィン密度を小さくしたフィンタイプの熱交換器）。本発明に従った排気システム１を搭載した車両が７０乃至１３０ｋｍ／ｈの速度域にあるときに、この熱電発電機は最大出力となる。
第３ＴＥＧ１１：極低出力の高温ガス熱交換器。本発明に従った排気システム１を搭載した車両が１３０乃至１８０ｋｍ／ｈの速度域にあるときに、この熱電発電機は最大出力となる。

全体として本発明に従った排気システム１の構成方式により、次の長所がもたらされることになる。
・一段式ＴＥＧに対して、稼動レンジが大幅に拡張される。
・低温型ＴＥＧ（熱伝導率が非常に高い熱交換器）の最適化により、都市交通もしくは低負荷期（約３０乃至約７０ｋｍ／ｈの速度域）においても実益がある。
・高温型ＴＥＧ（熱伝導率が非常に低い熱交換器）の最適化により、かなりの高速時にも熱回生が可能、熱電材料の過負荷なし、低出力高温ガス熱交換器による排圧問題なし（約１３０乃至約１８０ｋｍ／ｈの速度域）。
・走行頻度が最も高い速度ウィンドウにおける最適合計利得の達成を狙った、中速域（約７０乃至約１３０ｋｍ／ｈの速度域）における熱電発電機の最適化。

１ 排気システム
１’ 第１バイパス管
１” 第２バイパス管
１''' 第３バイパス管
２ 内燃機関
３ 第１熱電発電機
４ 第２熱電発電機
５ 閉止要素
５’ 排気システム閉止要素
６ 制御装置
７ 冷却回路
８ クーラントポンプ
９ 熱交換器
１０ 排気浄化装置
１１ 第３熱電発電機
ＭＳＤ サブマフラー
ＮＳＤ メインマフラー
ＴＥＧ 熱電発電機

Claims (6)

1. 内燃機関（２）用の排気システム（１）であって、
   高温側と低温側を有する第１及び少なくとも一つの第２の熱電発電機（３、４）が備えられており、
   前記高温側が前記内燃機関（２）の排出ガスにより加熱可能であるように、前記第１及び第２熱電発電機（３、４）が排気システム（１）に配置されており、
   第１の熱電発電機（３）が前記高温側と排気流との間に第１の熱伝導率を有する第１の熱交換器を有する、
   排気システムにおいて、
   前記少なくとも一つの第２の熱電発電機（４）が、前記第１の熱伝導率よりも大きい第２の熱伝導率を有する第２の熱交換器（４）を備えること、
   排気システム（１）が、排出ガスの流れの向きで前後に並べて配置された少なくとも一つの第１のバイパス管（１’）と少なくとも一つの第２のバイパス管（１”）を有すること、
   前記第１の熱電発電機（３）が、排出ガスの流れの向きで前記第１のバイパス管（１’）内に、前記第２の熱電発電機（４）が前記第２のバイパス管（１”）内に配置され、その際、各バイパス管（１’，１”）に、それぞれ排出ガス用の閉止要素（５）が備えられていること、
   排出ガスが、内燃機関の運転状態に応じて、第１の熱電発電機（３）及び／又は第２の熱電発電機（４）を通して案内可能であること、及び、
   内燃機関の特定の作動点において排出ガスが過度に高温となる場合は、その過度に高温の排出ガスが、第１の熱電発電機（３）を通過せずまた排気管路内で冷却され、その冷却された排出ガスが、第２の熱電発電機を通って導かれ、それにより第２の熱電発電機（４）のフル稼働が可能であること
   を特徴とする、排気システム。
2. 請求項１に記載の排気システムにおいて、
   前記第１及び第２の熱交換器（３、４）がフィンを有しており、前記第１の熱交換器（３）のフィン密度及び前記第２の熱交換器（４）のフィン密度が、互いに異なることを特徴とする、排気システム。
3. 前記内燃機関の排出ガスが、作動点に従属した低い温度または高い温度を有している、請求項１または２に記載の排気システムにおいて、
   高い温度の排出ガスを、第１の熱電発電機（３）に導くことができるように、前記少なくとも一つの閉止要素（５）が開閉可能であることを特徴とする、排気システム。
4. 請求項３に記載の排気システムにおいて、
   前記少なくとも一つの閉止要素（５）が、制御装置（６）により動作制御可能であることを特徴とする、排気システム。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の排気システムにおいて、
   前記第１及び／又は第２の熱電発電機（３，４）の低温側が冷却回路（７）に結合されていることを特徴とする、排気システム。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の排気システムにおいて、
   排気システム（１）に、さらに別の閉止要素（５’）が配置されていて、全ての排出ガスがバイパス管（１’，１”）を通って流れるように、前記さらに別の閉止要素（５’）を制御可能であることを特徴とする、排気システム。

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