JPWO2007026432A1 - Egrガス発電装置 - Google Patents

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Abstract

エンジン排ガスの熱エネルギーを回収して発電するにあたり、付加価値を高め、発電効率を高める。このために、EGRガスと冷却水の伝熱流路を断面が閉じた形状で構成し、それらを複数有して積層し、EGRガス流路は管板に接続し、冷却水流路は円管形状の出入口部を接続し、両流路の間に熱電変換モジュールを備えることでEGRガス発電装置を構成する。また、熱電素子を流れる電流を制御可能にし、再生可能に構成したフィルタをEGRガス上流側に設置する。これにより、EGRガスの冷却と排熱から電力を得ることを同時に行い、かつ、ラジエターの放熱負荷を低減することを可能にする。また、EGRクーラとして必要な冷却能力を確保した上で、エンジンルームに収まるようにEGRガス発電装置の小型化を可能にする。また、発生電圧が均一化されて発電効率が高まる。また、EGRガスに対する冷却能力が制御可能になる。さらに、フィンにすすが付着することを防止し、メンテナンスフリーでガス流路の閉塞が防止される。

Description

本発明は内燃機関から排出される排ガスのもつ熱エネルギーを電気エネルギーに変換して回収するのに好適な熱電発電装置に関するものであり、また、排気系から吸気系に再循環させてエンジンで発生するNOx(窒素酸化物)を低減するEGRシステムに関するものでもある。
従来、高温の排ガスを排出する自動車などでは、エンジンから排出される排ガスがもつ熱エネルギーを回収して電力に変換するために、例えば、特開昭63−262075号公報に開示されている排熱発電装置が用いられることがある。
図16は、特開昭63−262075号公報に開示されている排熱発電装置を示すものであって、この排熱発電装置では自動車のエンジンから排出される排ガスが流れる排気管24に箱形状の吸熱部21が取り付けられ、この吸熱部21には対向する平面が形成され、これらの平面には複数の熱電変換モジュール26が対向して配置され、各熱電変換モジュール26の高温端面と吸熱部21の平面とが密着している。そして、熱電変換モジュール26の低温端面と水冷ジャケット22の冷却面とが対向して配置され、この熱電変換モジュール26の低温端面と水冷ジャケット22の冷却面とが密着している。この排熱発電装置では排気管24から流入した排気ガスが持つ高温の排熱が吸熱部21の平面を介して熱電変換モジュール26の高温端面に伝達される。また同時に、熱電変換モジュール26の低温端面は冷却水給・排管23を通して水冷ジャケット22内を還流する冷却水により冷却される。そして、熱電変換モジュール26の高温端面と低温端面との間に生じた温度差に応じてゼーベック効果による熱起電力が発生して発電され、導電線を通じて電圧調整器および電流逆流防止器27に送られ、電力計28を介して蓄電池29に蓄えられる。
図17に、一般的な熱電変換モジュールの構成を示す。熱電変換モジュール170は、複数のp型熱電素子とn型熱電素子とが交互に配列され、各熱電素子の両端において隣接する熱電素子と電極を介して電気的に接続され、さらには、電極表面に絶縁板あるいは絶縁層が形成された構成をとる。このように複数の熱電素子を電気的に接続すると共に端面が絶縁処理された熱電変換モジュールを一旦形成した後、図16のように吸熱部21と冷却部である水冷ジャケット22との間に前記熱電変換モジュール170を複数設置することにより、熱電素子間の電気的接続を確実にとりながら、多数の熱電素子を簡便に設置して熱電発電装置として機能させることが可能になる。
また、特開平7−12009号公報では、排気通路をその長手方向に複数分岐させ、その分岐された各排気通路に各々熱電素子を巻装して発電する技術が示されている。
一方、エンジンでは、排気ガス中における窒素酸化物(NOx)を削減するために、排気ガスの一部を排気系から取り出し、吸気系に再循環させるEGR(Exhaust Gas Recirculation:排ガス再循環)が、主にディーゼルエンジンで行われている。ディーゼル燃料はガソリンに比べ燃焼性が悪く、通常、空気過剰の状態で燃焼をさせる必要があり、このために排気ガス中に酸素が多く存在し、ガソリンエンジンの場合のような三元触媒を用いて排気ガス中のNOxを削減することが困難になっている。このため、EGRによってNOxを低減する手法がディーゼルエンジンで広く用いられている。このEGRガスの体積を縮小させる目的でEGRガスを冷却することが行われている。一般にEGRガスは高温であるために密度が低く、吸気に混合させるEGRガスの質量割合を高くすると、空気の流入が不足してエンジンの出力低下を招くことがある。EGRガスを十分に冷却した場合、ガスの体積が縮小されることで、空気の流入を増大させ、エンジン出力の増大を図ることが可能になる。その際、吸気に混合させるEGRガスの質量割合を確保することで、NOxの発生を十分に抑えることが可能になる。EGRガスの冷却によりエンジン出力の増大を図ることは、同じ出力のエンジンを比較した場合、エンジンの小型化を可能にし、エンジンの小型化は質量低減と摩擦力の低減をもたらすことから省エネルギー化につながり、燃料消費率の低減と二酸化炭素排出量の削減につながる。このことから、EGRガスを十分に冷却することは極めて有効であり、ディーゼルエンジンではEGRクーラを設置する場合が多い。ただし、EGRガスを冷却し過ぎると排ガス中のすすが増加する場合もあるため、エンジンの状態や負荷の状況に応じて冷却能力を制御出来ることが好ましい。このEGRガスを冷却するためのEGRクーラに関して、例えば、特開平10−281015号公報に開示されている技術がある。
図18は、上記特開平10−281015号公報に開示されているEGRクーラを示すものであって、このEGRクーラではEGRガスがフランジ36を通して流入し、EGRガスが流路31内を流れる。このEGRガス流路は上面が開口していて、蓋32によって覆われる。この流路内に冷却水の循環によりEGRガスを冷却する熱交換器33を配置し、冷却水の入口パイプ34および出口パイプ35を挿通させる貫通穴を蓋32に設けている。熱交換器33はドロンカップ型の熱交換器からなり、ステンレス鋼からなる一対のプレート部材の間に冷却水流路の形成される円形状のシェル36を複数積層して形成されている。各シェルには入口パイプ34に連通する入口側カップ部、および、出口パイプ35に連通する出口側カップ部が形成されている。各シェルの間には、放熱フィンが配置され、このフィンはステンレス鋼からなり、ルーバーの形成されない状態のコルゲートフィンを矩形状に形成している。このようなEGRクーラでは、シェルの間にEGRガスが流通される放熱フィンを配置して熱交換器を構成しているため、熱交換器を小型で熱交換効率の高いものにすることができる。
図18のEGRクーラでは、冷却水の流路はクーラ内部で閉じた状態になっているのに対し、EGRガスはクーラ内の全体を流れることから、EGRガスの流路は開かれた状態と見なせる。
図19に、シェル・アンド・チューブ式(=多管式)の熱交換器によってEGRクーラを構成する例を示す。EGRガス200はダクト部から流入して、複数の伝熱管(=チューブ)に分配されて流れ、冷却されたEGRガス201となって出て行く。一方、冷却水300は胴体(=シェル)に設けられた入口から流入し、伝熱管の外側を流れてEGRガスを冷却し、胴体の別の出口から流出する。この場合、EGRガスの流路がクーラ内部で閉じた状態になっているのに対し、冷却水はクーラ内の全体を流れることから、冷却水の流路は開かれた状態と見なせる。このように、従来のEGRクーラではEGRガスと冷却水を熱交換させるあたり、一方の流体を閉じた流路に流し、他方をその外側の開かれた空間に流す構成をとっている。
自動車の排ガスがもつ熱エネルギーから熱電素子を用いて発電を行う排熱発電装置を設置する場合、熱電素子のコストが高く、発電により得られる利益に比べて発電装置のコストが高いことが問題となる。このため、排熱発電装置から得られる電力の増大と、電力以外にも利益を得ることが求めらる。
排気ガスが流れる排気管に箱形状の吸熱部を取り付け、その外側に水冷ジャケットを配置する構造でEGRガスを冷却した場合、従来のEGRクーラに比べて熱交換効率が低く、EGRクーラに必要な冷却能力が不足するか、もしくは、十分な冷却能力を持たせるには装置が巨大になり、エンジンルームに収まらなくなるという問題が生じる。このため、EGRの冷却装置にはエンジンルームに収まるだけの小型化が求められる。
また、排ガスの通路を複数に分岐させ、その分岐管ごとに発電を行う場合、分岐部を形成するにあたり、中央の管と外側の管を同じ形状で接続することは不可能であり、流量の均一な分配は難しい。各分岐管に流れる排ガスの流量が異なると、分岐管ごとの排ガス出口温度が異なるようになり、熱電素子にかかる温度にばらつきが生じる。熱電素子にかかる温度の違いは発生電力の電圧の違いとなり、各分岐管ごとに異なった電圧が発生することになる。異なった電圧の電源を並列に接続した場合、電圧が低い電源からは電力が供給されないことから、発生電圧が低い分岐管では発電が行われないことになり、発電効率の低下を招く。このため、複数の流路を持つ際は排ガスの均一な分配が求められる。
また、従来のEGRクーラに熱電変換モジュールを設置しようとした場合、EGRクーラの内部ではEGRガスの流路か冷却水の流路のどちらかが開かれた状態になっているために、熱電変換モジュールがEGRガスか冷却水のどちらかにさらされることになり、水分による漏電や腐食などによって安定に発電を行うことが出来ないという問題を生じる。
また、ディーゼルエンジンにおいては、EGRガスに対する冷却能力を高めるために、フィンを高密度に配置し、フィン間のガス流路を狭くすると、EGRガス中に存在するすすがフィンに付着し、ガス流路の閉塞を招くという問題を生じる。
さらに、EGRガスに対する冷却需要は常に一定という訳ではなく、EGRガスを出来るだけ冷やしたい時と、EGRガスを高温のまま供給した方がよい時がある。ディーゼルエンジンで発生するすす(=PMとも呼ぶ)は、燃焼性の悪さから生じるものであり、EGRガスを高温で供給することで燃料が燃えやすくなり、すすの発生が抑えられる場合がある。ディーゼルエンジンの排ガスに関してはNOxとすす(=PM)の両方を低減する必要があることから、負荷やエンジンの状態に応じて、EGRクーラでの冷却能力を制御できることが好ましい。この機能は、EGRクーラ単独で実現することは出来ない。また、EGRガスを冷却する際に吸収した熱をラジエターで放熱する場合、エンジン冷却水の放熱を兼ねたラジエターでは、条件によってラジエターの放熱負荷が過大になる場合があり、ラジエターの負荷低減が求められる。
本発明は、かかる従来の問題を解決するためになされたもので、熱電素子を用いて排気ガスの熱エネルギーから発電を行う際に発電以外の利益も得て、エンジンルームに収まるように装置の小型化を図り、EGRガスを十分に冷却する能力を有するEGRガス発電装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明では、エンジンの排気系から吸気系に再循環させるEGRガスを高温熱源にし、ラジエターを通じて大気に放熱する冷却水を低温熱源にし、これら両熱源の間に熱電変換モジュールを備えて熱を通過させることで、発電と、EGRガスを冷却して吸気系に供給することを同時に行い、かつ、EGRガスの熱を一部電力に変換することでラジエターの放熱負荷を低減し、熱電素子を用いた発電装置の付加価値を高めることを特徴とする。
このとき、EGRガス流路と冷却水流路に挟まれた熱電変換モジュールの一層の中に、熱電変換モジュールを複数備え、個々の熱電変換モジュールを直列に配線した回路を複数設け、各々の直列の回路は並列に配線し、かつ、各直列の回路がEGRガスから熱を受ける区間はEGRガスの上流から下流までの同じ区間となるように配線することで、1つの直列回路の中でEGRガスと冷却水の間に生じる温度差の合計が、並列に存在する各々の回路のどれもが等しくなるようにし、並列に存在する回路どうしで発生する各々の電圧が等しくなるようにし、発生電圧に違いによって発電を行わない部分が生じることを防止し、発電効率を向上させるとよい。また、EGRガスの下流側では熱電変換モジュールを介さずにEGRガスを冷却水で冷却するようにし、EGRガスの出口温度を十分に下げることが出来るようにするとよい。また、熱電変換モジュールに流れる電流を回路の切替によって制御可能にし、EGRガスを十分に冷したい時には、電流が多く流れるようにすることでEGRガスの熱を冷却水側に流れやすくし、EGRガスをあまり冷したくない時には、電流を抑えることで熱が伝わりにくくし、電流制御によって冷却能力の制御を可能にするとよい。また、主にディーゼルエンジンの場合に、EGRガス発電装置のEGRガス上流側にフィルターを備え、このフィルターに捕捉されたすすを酸化反応によって除去することでフィルターを再生可能にし、メンテナンスフリーでEGRガス発電装置を使用可能にするとよい。
また、上記目的を達成するために、本発明では、EGRガスを管板に接続された複数の伝熱流路に分配して流すことで、複数のEGRガス流路の出入口を同一形状にし、EGRガスを均一な流量に分配し、効率的な発電とEGRガスの十分な冷却を行い、かつ、冷却媒体をEGRガスに直交に流すことで、EGRガスと冷却媒体の出入口の取り合いに要するスペースを減らして小型化を図ることを特徴とする。
このとき、冷却媒体に水を使用し、冷却水の伝熱流路は2枚の板の外周を接合したものを複数積層することで構成し、冷却水流路の層の上下両面で熱が伝わるようにしてEGRガスの冷却能力を高める。同時に、各冷却水伝熱流路の出入口は円管形状部どうしを接続することで、冷却水の伝熱流路を閉じた構成にし、熱電変換モジュールが冷却水にさらされることを防いで安定に発電が出来るようにするとよい。また、EGRガスの伝熱流路を、2枚の板の2辺を接合したもの、もしくは扁平管で構成し、その伝熱流路内にコルゲートフィンを有することで安価な構造で伝熱促進を図り、EGRガスの冷却能力を高めるとよい。
本発明によれば、EGRガスと冷却水の伝熱流路を断面が閉じた形状で構成し、それらを複数有して積層し、EGRガス流路は管板に接続し、冷却水流路は円管形状の出入口部を接続し、両流路の間に熱電変換モジュールを備えることで、EGRガスを冷却しながら安定に発電を行うことが可能になり、かつ、EGRガスの熱を大気に放熱するラジエターの負荷を低減することが出来る。また、発生電圧の均一化を図ることで発電効率が高まり、その上で、EGRクーラとして必要な冷却能力を確保し、かつ、エンジンルームに収まるようにEGRガス発電装置を小型化することが可能になる。また、EGRガス発電装置内に流れる電流を制御することで、EGRガスの冷却能力が制御可能になる。また、再生可能に構成した上でフィルタを設置することで、フィンにすすが付着することを防止し、メンテナンスフリーでガス流路の閉塞が防止される。
第1図は、本発明のEGRガス発電装置の第1実施形態に係わる分解斜視図である。
第2図は、本発明のEGRガス発電装置の第1実施形態に係わるEGRガスの流れに垂直な方向の断面図である。
第3図は、本発明のEGRガス発電装置の第1実施形態に係わる冷却水の流れに垂直な方向の断面図である。
第4図は、本発明のEGRガス発電装置の第1実施形態に係わるEGRガス流路の分解図である。
第5図は、本発明のEGRガス発電装置の第1実施形態に係わる冷却水流路の分解図である。
第6図は、本発明のEGRガス発電装置の第1実施形態に係わる熱電変換モジュールの配線を示す図である。
第7図は、本発明のEGRガス発電装置の第1実施形態に係わる電力供給回路図である。
第8図は、本発明のEGRガス発電装置の第1実施形態に係わるエンジンの構成図である。
第9図は、本発明のEGRガス発電装置の第2実施形態に係わるエンジンの構成図である。
第10図は、本発明のEGRガス発電装置の第3実施形態に係わるエンジンの構成図である。
第11図は、本発明のEGRガス発電装置の第4実施形態に係わる分解斜視図である。
第12図は、本発明のEGRガス発電装置の第4実施形態に係わるEGRガス流路の詳細図である。
第13図は、本発明のEGRガス発電装置の第4実施形態に係わる冷却水流路の分解図である。
第14図は、本発明のEGRガス発電装置の第4実施形態に係わる冷却水の流れに垂直な方向の断面図である。
第15図は、本発明のEGRガス発電装置の第5実施形態に係わる分解斜視図である。
第16図は、従来の排熱発電装置を示す説明図である。
第17図は、熱電変換モジュールの一例を示す斜視図である。
第18図は、従来のEGRクーラにおける、ドロンカップ型熱交換器を用いた例を示す図である。
第19図は、従来のEGRクーラにおける、シェル・アンド・チューブ型熱交換器を用いた例を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
第1図は本発明の第1実施形態となるEGRガス発電装置の分解図を表す。図中、200は入口側EGRガスを指し、201は出口側EGRガスを指す。300は入口側冷却水を指し、301は出口側冷却水を指す。EGRガスの流路に関する構成は出入口ダクト104、管板105、図中に3層あるEGRガス伝熱流路101からなる。EGRガス流路101の出入口を管板105に接続することで、複数のガス流路101は同一形状の出入口となり、外部に対する気密を保ってEGRガスの均一な分配を図っている。冷却水流路は最上段から最下段まである4層の冷却水伝熱流路102で構成される。冷却水流路102は円管形状部を出入口として接続することで外部に対する気密を保って冷却水の分配を行っている。熱電変換モジュールの層103は、EGRガス流路101と冷却水流路102の間にそれぞれあり、両流路の平面部を接触させることで熱が伝わるようにしている。これらの層の数はEGRガスの設計流量に応じて変更すればよい。ただし層の数を変えた時でも、冷却水流路102は最上段と最下段に存在させることで、EGRガス流路101より常に1層多くなる。また、熱電変換モジュールの層103はEGRガス流路101の上面と下面に存在させることで、EGRガス流路101の倍の数になる。冷却水流路が最上段と最下段の装置外側にあることより、エンジンの運転時にEGRガスが高温になっても、EGRガス発電装置外形部の温度上昇を抑えて熱膨張を抑えることが可能になり、装置の取り付け部等に生じる熱応力を抑え、装置の安全性・信頼性を高めることが可能になる。さらに、熱電変換モジュールで発生した電力の出力電圧調整と、EGRクーラとしての冷却能力を制御するために電流制御をするための制御装置400が、冷却水流路102の外側に接して取り付けられる。この制御装置400を冷却水流路の外側に接して備えることにより、EGRガスから熱が伝わって装置が過熱されることを防ぎ、コンパクトな構造で制御装置の安全性・信頼性を高めることが出来る。
第2図は本発明の第1実施形態となるEGRガス発電装置のEGRガスの流れに垂直な方向の断面図を表す。EGRガス流路が101a、101b、101cと3層あり紙面の垂直方向にEGRガスが流れる。冷却水流路は102a、102b、102c、102dと4層あり、伝熱部では図の右から左に向かって冷却水が流れる。各冷却水流路102a〜102dの出入口である円管部は、EGRガス流路101a〜101cの外側にあって、その先端どうしを接続している。熱電変換モジュールの層は103a〜103fの6層あり、それぞれの高温端をEGRガス流路に接触させ、低温端を冷却水流路に接触させている。
第3図は本発明の第1実施形態となるEGRガス発電装置の冷却水の流れに垂直な方向の断面図を表す。EGRガス流路が101a〜101cであり、図の右から左に向かってEGRガスが流れる。冷却水流路が102a〜102dであり、紙面の垂直方向に冷却水が流れる。EGRガス流路101a〜101cの出入口と接続する管板105は冷却水流路102a〜102dの外側に位置する。
EGRガスの出入口が冷却水流路に対して外側になり、冷却水の出入口もEGRガス流路に対して外側になるのは、互いを直交に流すことで実現可能になっている。
第4図は本発明の第1実施形態となるEGRガス発電装置のEGRガス流路の分解図を表す。EGRガス流路101は上板111、下板113、コルゲートフィン112からなる。EGRガス流路101は、平面部にコルゲートフィン112を配置して、上板111と下板113の縁を接合することで、袋状の流路断面が閉じた構造となる。また、上板111および下板113とコルゲートフィン112をろう付け等で接合することにより、強度が増加するとともに熱抵抗が低減する。また、コルゲートフィン112はプレス加工で成形することにより、均一な形状を保つことが容易となり、多数のガス流路101を製作しても均一な形状となることから、各流路をガスが流れる上での圧力損失が均一になり、ガスを均一に分配させることに役立つ。また、コルゲートフィン112は薄板を折り曲げて製造することにより安価に製造でき、かつ、伝熱面積の十分な増大をもたらし、EGRガスの熱が熱電素子に伝わることを促進し、EGRガス発電装置の発電能力の増大をもたらす。また、コルゲートフィン112の形状については、第4図のように直線状に板を折り曲げるプレーン型の他、途切れたフィンが交互に連なるセレート型(オフセット型とも呼ぶ)、途切れたフィンを斜めにするルーバー型、流れ方向に対しても波打った形状のヘリンボーン型、フィンに多数の穴を開ける多孔板型等を用いることが可能であり、フィンの断面形状に関しても矩形状の他、三角状の形状等にすることが可能である。ただし、EGRガス中のすすがフィンに最も付着しにくいのはプレーン型になる。
第5図は本発明の第1実施形態となるEGRガス発電装置の冷却水流路の分解図を表す。冷却水流路102は上板121、下板123、コルゲートフィン122からなる。冷却水流路102は、平面部にコルゲートフィン122を配置して、上板121と下板123の外縁全周を接合することで、袋状の外部に対して気密可能な構造となる。また、上板121と下板123の両方に円管形状部124、125を設けることで、冷却水の出入を可能にしている。また、上板121および下板123とコルゲートフィン122をろう付け等で接合することにより、強度が増加するとともに熱抵抗が低減する。また、コルゲートフィン122は伝熱面積の増大をもたらすことで、冷却水による熱電素子の冷却能力を高め、発電能力の増大をもたらすと同時に、熱電素子の温度上昇を防止し、耐熱温度が限られる熱電素子の過熱による破損を防止する。また、コルゲートフィン122の形状についてはEGRガス流路の場合と同様、プレーン型、セレート型、ルーバー型、ヘリンボーン型、多孔板型等を用いることが可能であり、フィン断面形状も矩形状、三角状等を用いることが可能である。
第6図は本発明の第1実施形態となるEGRガス発電装置の熱電変換モジュールの配線方法を表す。ここでの熱電発電モジュールの層は第2図、第3図に対応しており、最上段の熱電発電モジュールの層103a、およびその下段に存在する103b、103c、・・・からなる。熱電発電モジュールの各層103a〜103fは制御装置400に対して並列に配線される。1つの熱電発電モジュールの層103aの中には多数の熱電発電モジュール170が存在しており、それを直列に配線した回路として181と182がある。第6図では1つの層内に2つの直列回路を示しており、その2つ回路は並列に接続されている。1つの直列回路181に含まれる熱電変換モジュールはEGRガスの上流側200から下流側201まで、EGRガスの全区間で熱を受けるようにしている。このEGRの熱を受ける区間を回路181と182で等しくすることにより、両回路で生じる電圧を同じにしている。もしも、並列に接続されている回路どうしで生じる電圧に差があると、電圧の低い方からは電流を供給することが出来ず、発電効率の低下を招く。EGRガスは入口で高温であり、出口で温度低下しているために、冷却水との温度差が、EGRガスの入口側で大きく、出口側で小さい。このため、個々の熱電素子に生じる電圧も、EGRガス入口側で大きく、出口側で小さい。よって、熱電発電モジュールに生じる電圧も同様で、EGRガス入口側で大きく、出口側で小さい。もしも、並列にある回路181と182において、一方がEGRガスの入口側で熱を受け、他方がEGRガスの下流側で熱を受けるようにすると、ガスの入口側の電圧が高く、ガス出口側の電圧が低くなり、ガス出口側からは電力が供給されなくなり、発電効率の低下を招く。本実施例のように、回路181と182の両方がEGRガスの上流から下流までの同じ区間で熱を受けるようにすることで、両回路で発生する電圧が同じになり、発電効率が高まる。また、熱電発電モジュールの層103a内における回路181と182の関係を103b、103c…と全ての層で同じにすることで、各々の回路181、182、183、184…は並列に配線されることになり、各々の回路内の熱電発電モジュールはEGRガスの上流から下流までの同じ区間で熱を受け、同じ電圧を生じるようになり、発電効率を高める。
第7図は本発明の第1実施形態となるEGRガス発電装置の電力供給回路図を表す。EGRガス発電装置100による電力は制御装置400を介して負荷504に供給する。また、オルタネータ501で発生した電力は整流器502、電圧調整器503を介して負荷504に供給する。EGRガス発電装置100、オルタネータ501およびバッテリ500は負荷504に対して並列に配線することで、電力供給源として並立させる。オルタネータはエンジンの動力を消費して発電するのに対し、EGRガス発電装置は排熱から発電しているために、この電力を消費しても、燃料の消費量を増やすことはないため、電力供給源の中で、EGRガス発電装置100による電力を最優先で使用することが、全体システムとしての省エネルギー化に寄与する。このため、電力供給の優先順位は、EGRガス発電装置100を最優先にし、これが不足する際にオルタネータ501からも供給するようにし、それでも不足する際にバッテリ500からも電力を供給するようにする。これを実現するために、電力供給源の中でEGRガス発電装置100からの出力電圧が最も高くなるように電圧調整器403を設定する。さらに、EGRガス発電装置100とバッテリ500が並列に配線されていることで、負荷504で消費する電力以上にEGRガス発電装置100から電力が得られる時は、バッテリ500に電力が充電される。このように電力供給回路を組むことで、オルタネータでの発電量を減らし、オルタネータで消費するエンジン動力を低減し、燃料消費量を低減することが可能になる。また、電力供給源が増えることで、オルタネータが故障した時でも電力を供給し続けることが可能になる。
さらに、EGRガス発電装置100の制御装置400には、電力供給のON/OFFを行うスイッチ401、EGRガス発電装置内で電流を循環させるためのスイッチ402、および電圧調整器403を含む。電圧調整器403はDC/DC変換によって電圧を調整すると共に、ダイオードによって負荷側から電流が逆流して流入することの防止も行う。スイッチ401は通常ON、スイッチ402は通常OFFにし、EGRガス発電装置の冷却能力を制御する際に、これらのスイッチを切り替え、EGRガス発電装置内に流れる電流を制御する。電流制御によって冷却能力が制御される原理を式1より説明する。
(式1)
式1の左辺QHは高温端から流入する熱量を表し、右辺のIは熱電素子に流れる電流を表す。THは熱電素子高温端の絶対温度を表し、TCは熱電素子低温端の絶対温度を表す。αは熱電素子の発電特性を表す係数で、簡易的には一定と見なせる。Kは熱電素子を熱伝導で熱が流れる特性を表す係数で、熱伝導率に依存することから一定と見なせる。Rは熱電素子の電気抵抗を表す。式1右辺第1項はペルチェ効果を表す。熱電変換によって流れる電流は、高温側から流入する熱量に依存することを表すと同時に、電流によって熱輸送が行われる効果も表す。ゼーベック効果は、高温端と低温端の温度差に比例して電圧が生じることを意味するが、生じた電圧から得られる電力にはエネルギーの保存則が成立し、そのことを右辺第1項は示している。また、この物理現象は可逆過程であることから、電流が流れる方向と同じ方向に熱も流れることを表す。このため、正の電流を積極的に流す時、高温端から低温端に熱が流れることを促進する。第2項は熱伝導の効果を表す。熱伝導により、高温端と低温端の温度差に比例して熱が流れることを表す。第3項はジュール発電の効果を表す。熱電素子には必ず電気抵抗が存在し、電流が流れることにより発熱が生じる。ジュール発熱により生じる熱は高温側と低温側に等しく供給されることから、ジュール発熱で生じた熱の半分は高温端から流入する熱量を低減させる。通常の熱電素子であれば、第1項の効果の方が第3項の効果より大きく、電流が流れることで高温端から流入する熱量を増大させる。本実施例における高温端側はEGRガスであり、高温端から流入する熱量が増えることは、EGRガスがよく冷却されることを意味する。すなわち、電流が増加するとEGRガスの冷却が促進され、電流が低下するとEGRガスの冷却が抑制される。
この原理を活用するために、EGRクーラとしての冷却能力を最も高める場合は、第7図におけるスイッチ401を一旦切った上で、スイッチ402をつなぐ。これにより、EGRガス発電装置は負荷側と切り離され、EGRガス発電装置で発生した電流は内部で循環するようになり、負荷側に電力を供給する場合より大きな電流が流れるようになる。このことによりEGRガスの冷却能力が高まる。また、この場合の回路はショートした状態になっているが、電流を生み出す元のエネルギーはEGRガスの熱エネルギーのみであることから、エネルギー源が限られており、過電流が流れて回路を損傷することがない。
EGRガスをあまり冷やさないでおく場合は、スイッチ402を切ったままで、スイッチ401も切る。こうすると、EGRガス発電装置では電流が流れなくなる。電流が流れないと、ペルチェ効果による熱輸送が働かないため、EGRクーラとしての冷却能力が低下する。ただし、熱伝導の効果には変わりがないので、冷却能力が0にはならない。
第8図は本発明の第1実施形態となるEGRガス発電装置をエンジンに取付ける場合の構成を表す。第8図では主にディーゼルエンジンで使用する場合の構成を示している。エンジン1に供給する空気は、ターボ過給機のコンプレッサ2で圧縮し、インタークーラ3で冷却し、スロットル弁4を通過してEGRガスと混合される。エンジン1から排出されたガスはターボ過給機のタービン6を通過し、排ガス後処理装置7を通過して外部に放出される。排気タービン6に送る前の排ガスを分配して、EGRガス配管150を通じてスロットル弁4の下流側に接続することでEGRを構成している。EGRの流量はEGR弁5で制御し、EGR弁5を全開にしてもEGRが不足する時にスロットル弁を絞り、吸気側の圧力を下げることでEGRがより流れるようにする。EGR弁5とスロットル弁4の制御は制御装置8で行う。EGRガス発電装置100には冷却水配管153が接続され、冷却水弁154により冷却水流量の制御を行う。冷却水は冷却水ポンプ10によってラジエター9との間を循環し、EGRガス発電装置100で吸収した熱を大気に放出する。この冷却水の循環経路は、エンジンの冷却水と共有しても、別々にしてもよい。EGRガス発電装置によって発電を行うことは、EGRガスから吸収した熱の一部を電力に変換することとなり、電力のエネルギー分だけ冷却水が吸収する熱は低減される。これのため、発電のエネルギー分、ラジエターの放熱負荷を低減することが可能となる。また、EGRガス発電装置100は上流側に再生可能なフィルタ151を備えてEGRガス配管150に接続し、供給されたEGRガスを冷却して吸気側に提供する。フィルタ151の下流側と排気タービン6の下流側を接続するEGRバイパス配管155を備え、この配管のガス流量を制御するEGRバイパス弁152を備える。EGRバイパス弁152は通常閉じておき、フィルタ151の再生時にのみ開く。
EGRガス発電装置100のEGRガス流路で、伝熱促進を図るためにフィンのピッチを細かくすると、EGRガス中に存在するすすがフィンに付着し、ガス流路の閉塞を招くことから、フィルタ151ですすを除去する。除去されたすすはフィルタ151内に補足されていることから、そのまま運転を続けるとすすの堆積によってフィルタ151が閉塞を起こす。この堆積したすすを除去することがフィルタの再生であり、主に炭素分からなるすすを酸化反応によって燃焼させることで行う。フィルタの再生を行うタイミングとしては、フィルターの圧力損失を常に監視して、流量に比して圧力損失が大きくなった場合に再生手順を実施する方法と、一定の運転時間ごとに再生手順を実施する方法とがある。また、フィルタの再生時にはフィルタが高温になることから、ここを通過したガスも高温になる。この高温のEGRガスをEGRガス発電装置や吸気系に供給すると、熱的なダメージを受ける場合あるため、フィルターの再生は吸気系に供給するEGRガス流量が少ない時、すなわち、EGR弁を絞っている時に行うことが好ましい。
第8図の構成の場合、フィルタの再生手順は次のようになる。まず、EGR弁5が閉じている状態で、EGRバイパス弁152を開き、排ガスがフィルタ151のみに流れて、EGRガス発電装置100に流れないようにする。次に、スロットル弁4を絞り、空気過剰率を減らす。さらに、エンジンの燃焼室で燃料を噴射するタイミングを遅らせる。空気過剰率の低下と、燃料噴射の遅れによって排ガス温度が上昇する。温度が上昇した排ガスをフィルタ151に流すことで、すすが自ら燃えるようにする。すすが燃えきると再生は完了し、スロットル弁4の絞りを解除し、燃料噴射の遅れを元に戻し、EGRバイパス弁152を閉じ、EGR弁5の閉止を解除することで再生手順が終了する。なお、EGRバイパス弁152を用いずに、EGRバイパス配管155を十分細くし、常にEGRバイパス配管155に排ガスが流れるようにすることでも、同じ原理によるフィルタの再生が可能である。
第9図は本発明の第2実施形態となるEGRガス発電装置をエンジンに取付ける場合の構成を表す。第9図と第8図で同じ番号のものは同じ部品を表す。電気ヒータ156はフィルタ151の上流側にあって、フィルタ151を加熱するために用いる。この形態の他、電気ヒータをフィルタに埋め込むことも可能である。第9図の構成の場合のフィルタの再生手順は次のようになる。EGR弁5を絞った状態で、電気ヒータ156に電気を流し、フィルタ151を加熱する。これによってフィルタ内に堆積したすすが自ら燃えるようにする。すすが燃え出したら、発熱が生じるために、電気ヒータでの加熱は停止する。すすが燃えきると再生が完了であり、EGR弁5の絞りを解除し再生手順が終了する。EGR弁5の絞りに関しては、完全に閉鎖させ、すすの燃焼に必要な酸素を排気管側から拡散によって供給する方法と、EGR弁5をわずかに開き、EGRガスを微量流すことによってすすの燃焼に必要な酸素を供給する方法とがある。
第10図は本発明の第3実施形態となるEGRガス発電装置をエンジンに取付ける場合の構成を表す。EGRバイパス配管157はEGRガス発電装置100の下流側と排気タービン6の下流側を接続し、EGRバイパス弁152はこのバイパス配管のガス流量を制御する。第10図の構成は熱電素子の耐熱温度が十分に高い場合に適用可能であり、この構成の場合、フィルタの再生を行っている際もEGRガス発電装置100での発電が可能になる。第10図の構成におけるフィルタの再生手順は第8図の構成の場合と同じである。ただし、フィルタの再生中にも高温排ガスがEGRガス発電装置100を流れ、発電がなされることから、EGRガス発電装置100の稼働率が高く、総発電量を高めることが可能になる。さらに、EGRバイパス弁152を用いずに、常にEGRバイパス配管157に排ガスが流れるようにしてもよい。また、第10図の構成ではエンジン負荷の関係でEGRを流さない時にも、EGRバイパス配管157に排ガスを流すことで発電することが可能であり、EGR流量に依存せずに、発電することが可能となる。
第11図は本発明の第4実施形態となるEGRガス発電装置の分解図を表す。図1と同じものは番号を同じにしてある。EGRガスの流路に関する構成は出入口ダクト104、管板106、図中に3層あるEGRガス伝熱流路145からなる。冷却水流路は図中に4層ある冷却水伝熱流路130で構成され、熱電変換モジュールの層140は、EGRガス流路145と冷却水流路130の間にそれぞれある。EGRガス伝熱流路145には扁平管を用いており、これにより管板106の管用穴は扁平管に合せた形状になる。冷却水流路130には折り返しが1回ある。折返しを設けることで、冷却水が流れる際の断面積が小さくなり、冷却水の流速が上昇する。流体の熱伝達率は一般に流速の上昇に伴って増加することから、冷却水流路に折返しを設けることで、冷却水流路の伝熱促進が図られる。また、奇数回の折返しによって冷却水の出入口が片側に寄り、反対側には冷却水の出入口に関わるスペースが不要になるため、小型化が図られる。
第12図は本発明の第4実施形態となるEGRガス発電装置のEGRガス流路の詳細図を表す。EGRガス流路145は扁平管146、コルゲートフィン147からなり、コルゲートフィン147は扁平管146の内側に接合されている。
第13図は本発明の第4実施形態となるEGRガス発電装置の冷却水流路の分解図を表す。冷却水流路130は上板131、下板132、コルゲートフィン133、134からなり、コルゲートフィン133、134を挟んで上板131と下板132の外縁全周を接合する。また、上板131と下板132の両方に円管形状部135、136を設けるとともに、流路を仕切って折り返すためのくぼみを設け、かつ、コルゲートフィン134側の流路をコルゲートフィン133側の流路より深くしている。また、冷却水の折返し数をさらに増やすことで、伝熱促進を図り、それによってコルゲートフィンの挿入を省くことも可能である。
第14図は本発明の第4実施形態となるEGRガス発電装置の冷却水の流れに垂直な方向の断面図を表す。EGRガス流路が145a〜145cであり、図の右から左に向かってEGRガスが流れる。冷却水流路が130a〜130dであり、紙面の垂直方向に冷却水が流れる。冷却水流路130a〜130dは、くぼみによって折返しのための仕切りが形成されている。熱電変換モジュールの層が140a〜140fであり、冷却水流路130a〜130dの右側流路の位置(=EGRガスの上流側)にのみ配置し、左側には配置しない。冷却水流路130a〜130dの左側流路は右側より熱電変換モジュールの厚さ分だけ深くすることにより、熱電変換モジュールを介さずに、EGRガス流路に直接接触する。EGRガスの熱を冷却水に伝える上で、熱電変換モジュールがあることは熱抵抗になり、EGRを冷やす能力は低下する。第14図のようにEGRガスの出口側で冷却水流路とEGRガス流路を直接接触させることで、この部分での熱通過率が高まり、EGRガスを十分に冷却した上で流出させることが可能になる。EGRガスの出口側は入口側に対して温度低下することから冷却水との温度差が減少し、熱が伝わりにくい状態になる。そのため冷却水温度の近くにまでEGRガスの温度を下げようとした場合、EGRガスの温度が冷却水温度に近付くに従って、熱交換温度差が小さくなり、熱が伝わりにくくなって、多大な伝熱面積が必要になり、装置が大型化する。このため、EGRガスの出口側で熱抵抗を減らすことは、所定の冷却能力を持たせたEGRガス発電装置の小型化に大きく貢献する。
なお、第1実施形態と第4実施形態の違いである、EGRガス流路の構成、冷却水流路の折り返し、冷却水流路とEGRガス流路の一部直接接触はそれぞれ独立に実施可能であり、第8〜10図のフィルタの構成と合わせて、組み合わせは適宜変更できる。
第15図は本発明の第5実施形態となるEGRガス発電装置の分解図を表す。EGRガスの流路に関する構成は出入口ダクト104、管板107、図中に3層あるEGRガス伝熱流路101からなる。冷却媒体には空気を用い、外板182内を流れ、図中に4層ある冷却空気用フィン181を冷却する。熱電変換モジュールの層140は、EGRガス流路101と冷却空気用フィン181の間にそれぞれある。冷却媒体に空気を用いることで熱電変換モジュールが水にさらされることを防ぎ、冷却水放熱回路を不要することが可能になる。
なお、第1、第4、第5の実施形態のEGRガス発電装置の構造は、EGRガスに対してのみでなく、マフラー部などのエンジン排ガス全般に適用して発電を行うことが可能である。

Claims (8)

  1. エンジンの排気ガスの熱エネルギーから、熱電変換モジュールを用いて発電を行う熱電発電装置において、
    排気ガスの一部を分配して吸気系に再循環させるEGRガスを高温熱源にし、ラジエターを通じて大気に放熱している冷却媒体を低温熱源にし、前記高温熱源から熱を吸収し、前記低温熱源に熱を放出する熱電変換モジュールを備え、前記EGRガスを冷却して吸気系に供給することと、前記熱電変換モジュールによる発電を同時に行うことを特徴とするEGRガス発電装置。
  2. 熱電変換モジュールを複数備え、それらを直列に配線する回路を複数備え、各直列の回路は並列に配線し、かつ、各直列の回路がEGRガスから熱を受ける区間はEGRガスの上流から下流までの同じ区間となるように配線することを特徴とする請求項1に記載のEGRガス発電装置。
  3. EGRガスの下流側では熱電変換モジュールを介さずにEGRガスを冷却水で冷却するようにしたことを特徴とする請求項1に記載のEGRガス発電装置。
  4. 熱電変換モジュールに流れる電流をEGRガスの冷却需要に応じて制御出来るようにしたことを特徴とする請求項1に記載のEGRガス発電装置。
  5. EGRガス発電装置のEGRガス上流側にフィルターを備え、このフィルターに捕捉されたすすを酸化反応によって除去することでフィルターを再生可能にすることを特徴とする請求項1に記載のEGRガス発電装置。
  6. 扁平な伝熱流路を複数有して積層し、この伝熱流路の出入口を管板に接続し、この伝熱流路に管板で分配されたEGRガスを流し、前記伝熱流路の扁平部に熱電変換モジュールを接触させ、この熱電変換モジュールの接触面の反対側に冷却媒体が流れる伝熱流路を有し、冷却媒体はEGRガスと直交に流し、EGRガスの冷却と発電を同時に行うことを特徴とするEGRガス発電装置。
  7. 冷却媒体に水を主成分とする冷却水を使用し、冷却水の伝熱流路は2枚の板の外周を接合したものを複数積層することで構成し、各冷却水伝熱流路の出入口は円管形状部どうしを接続することで構成することを特徴とする請求項6に記載のEGRガス発電装置。
  8. EGRガスの伝熱流路を、2枚の板の2辺を接合したもの、もしくは扁平管で構成し、その伝熱流路内にコルゲートフィンを有することを特徴とする請求項6に記載のEGRガス発電装置。
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