(57)【要約】【課題】触媒の浄化機能を維持しながら、発電を継続できる排熱回収装置とする。【解決手段】エンジンの排気通路の途中に設けられ排気熱から電気エネルギーを回収する発電ユニット３と、発電ユニット３の上流側に設けられる第一の触媒１と、発電ユニット３の下流側に設けられる第二の触媒２と、第一の触媒１の上流側の排気通路１１と第一の触媒１と発電ユニット３との間の排気通路１２とを結ぶバイパス通路１０と、第一の触媒１及び第二の触媒２の温度をそれぞれ検出する温度検出手段２１，２２と、温度検出手段２１，２２により検出された第一の触媒１及び第二の触媒２の温度の情報に基づいて、第一の触媒１を通る排気通路とバイパス通路１０の排気の流量の比率を調整する流量調整手段２３とを備えるエンジンの排熱回収装置とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気通路に設けられ排気熱から電気エネルギーを回収する発電ユニットと、
前記発電ユニットの上流側に設けられる第一の触媒と、
前記発電ユニットの下流側に設けられる第二の触媒と、
前記第一の触媒の上流側の排気通路と、前記第一の触媒と前記発電ユニットとの間の排気通路とを結ぶバイパス通路と、
前記第一の触媒及び前記第二の触媒の温度をそれぞれ検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段により検出された前記第一の触媒及び前記第二の触媒の温度の情報に基づいて、前記第一の触媒を通る排気通路と前記バイパス通路の排気の流量の比率を調整する流量調整手段とを備えるエンジンの排熱回収装置。
【請求項２】
前記流量調整手段は、前記バイパス通路に設けられる流量調整弁で構成されることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの排熱回収装置。
【請求項３】
前記第一の触媒の温度がその第一の触媒の触媒活性温度以下である場合は、前記流量調整手段は前記バイパス通路を全閉し、前記第一の触媒の温度がその第一の触媒の触媒活性温度以上である場合は、前記流量調整手段は前記バイパス通路を開放することを特徴とする請求項２に記載のエンジンの排熱回収装置。
【請求項４】
前記流量調整手段が前記バイパス通路を開放する際、前記第二の触媒の温度がその第二の触媒の触媒活性温度以下である場合は、前記流量調整手段は、前記第二の触媒の温度に基づいて、前記バイパス通路の開度を調整することを特徴とする請求項３に記載のエンジンの排熱回収装置。
【請求項５】
前記流量調整手段は、前記第二の触媒の温度とその第二の触媒の触媒活性温度との温度差に基づいて、前記バイパス通路の開度を調整することを特徴とする請求項４に記載のエンジンの排熱回収装置。
【請求項６】
前記第二の触媒の温度がその第二の触媒の触媒活性温度以上である場合に、前記流量調整手段は、前記第一の触媒の温度に拘わらず、前記バイパス通路を全開にすることを特徴とする請求項２から５のいずれか一つに記載のエンジンの排熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、エンジンの排気通路を流通する排気の熱エネルギーを電気エネルギーに変換して回収するエンジンの排熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、自動車等のエンジンから排出される排気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排熱回収装置が、種々提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１，２には、排気通路の途中に設けられた触媒の下流側に、排気熱を電気エネルギーに変換する発電ユニットを設けることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２００７５７号公報
【特許文献２】特開平６−８１６３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１，２の排熱回収装置によれば、発電ユニットは、触媒の下流側に配置されているが、発電ユニットを、より排気温度が高い場所である触媒の上流側に位置する方が、発電量が大きくなるので有利である。
【０００６】
しかし、発電ユニットを触媒の上流側に配置すると、発電ユニットの発電によって排気温度が低下する。このため、発電を長時間継続すると触媒の温度が触媒活性温度以下となり、排気ガスの浄化機能が低下してしまう問題が生じる。
【０００７】
そこで、この発明の課題は、排熱回収装置の発電を持続しながら、触媒の浄化性能を高く維持することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、この発明においては、エンジンの排気通路に設けられ排気熱から電気エネルギーを回収する発電ユニットと、前記発電ユニットの上流側に設けられる第一の触媒と、前記発電ユニットの下流側に設けられる第二の触媒と、前記第一の触媒の上流側の排気通路と前記第一の触媒と前記発電ユニットとの間の排気通路とを結ぶバイパス通路と、前記第一の触媒及び前記第二の触媒の温度をそれぞれ検出する温度検出手段と、前記温度検出手段により検出された前記第一の触媒及び前記第二の触媒の温度の情報に基づいて、前記第一の触媒を通る排気通路と前記バイパス通路の排気の流量の比率を調整する流量調整手段によって排熱回収装置を構成したのである。
【０００９】
この構成において、前記流量調整手段は、上流側の触媒である前記第一の触媒を通る排気通路と、前記バイパス通路との排気の流量の比率を調整する機能を有していればよく、例えば、前記バイパス通路に設けられる流量調整弁によって構成することができる。
なお、流量調整手段は、第一の触媒を通る排気通路に設けられる流量調整弁により構成してもよく、さらには、前記バイパス通路に設けられる流量調整弁と、前記第一の触媒を通る排気通路の流量調整弁とを併用してもよい。
【００１０】
流量調整手段としてバイパス通路に流量調整弁を設けた構成において、前記第一の触媒の温度がその第一の触媒の触媒活性温度以下である場合は、前記流量調整手段は前記バイパス通路を全閉し、前記第一の触媒の温度がその第一の触媒の触媒活性温度以上である場合は、前記流量調整手段は前記バイパス通路を開放する構成とすることができる。
【００１１】
このとき、第二の触媒は、排気ガスの浄化に有効な温度になっていることが望ましい。
そこで、前記流量調整手段が前記バイパス通路を開放する際、前記第二の触媒の温度がその第二の触媒の触媒活性温度以下である場合は、流量調整手段は、前記第二の触媒の温度に基づいて、前記バイパス通路の開度を調整する構成にすることができる。
例えば、第二の触媒の温度とその第二の触媒の触媒活性温度との温度差の値に基づいて、温度差が大きければバイパス通路の開度を小さく、温度差が小さければ、バイパス通路の開度を大きくすることが有効である。このとき、バイパス通路の開度は、段階的に又は無段階に調整可能にすることができる。
【００１２】
また、前記第二の触媒の温度がその第二の触媒の触媒活性温度以上である場合に、前記流量調整手段は、前記第一の触媒の温度に拘わらず、前記バイパス通路を全開にすることによって、さらに高い発電量を確保できる。
【発明の効果】
【００１３】
この発明は、排気通路の発電ユニットを挟んで上流側と下流側に触媒を配置し、上流側の触媒を迂回するバイパス通路を設けたので、発電ユニットへの排気ガスの供給は、上流側の触媒を通るルートと、上流側の触媒を経由しないバイパス通路のルートとを使いわけることができる。このため、発電ユニットに、上流側の触媒を通らないバイパス通路経由の排気ガスを供給しても、下流側の触媒が排気ガスの浄化をすることができる。
【００１４】
また、下流側の触媒が排気の浄化に有効な温度条件にない場合でも、上流側の触媒が浄化の機能を発揮でき、この間も発電の継続は可能である。そして、下流側の触媒が排気の浄化に有効な温度条件になれば、バイパス通路経由の流量を上げて発電量を高めることができる。このように、発電ユニットによる発電を持続しながら、触媒による排気ガスの浄化性能を高く維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の一実施形態の装置の構成を示す模式図である。
【図２】第一の触媒、第二の触媒の温度と、流量調整手段の制御の状況を示すマップ図である。
【図３】第二の触媒の温度とその第二の触媒の触媒活性温度との温度差と、流量調整手段の制御の状況を示すマップ図である。
【図４】この発明のエンジンの排熱回収装置の制御を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、この発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、この実施形態のエンジンの排熱回収装置３０の構成を概念的に示す模式図である。
【００１７】
図１に示すように、エンジンＥの吸気通路には、燃焼室に混合気を導入するインテークマニホールド３１が設けられている。また、吸気通路の上流側から下流側に向かって、所定の空燃比になるように吸入空気量を検出するエアフローセンサ３２、通路断面積を変化させて吸気の流量を制御するスロットルバルブ３３、過剰な吸気の流入を一時的に蓄えることで流量を緩和するサージタンク３４等が順に設けられている。
【００１８】
エンジンＥの排気通路は、第一排気管（エキゾーストマニホールド）１１によって、エンジンＥの燃焼室から引き出されている。
【００１９】
エンジンの排気通路の途中には、排気熱から電気エネルギーを回収する発電ユニット３と、発電ユニット３の上流側に設けられる第一の触媒１と、発電ユニット３の下流側に設けられる第二の触媒２とが備えられる。
【００２０】
第一排気管１１の下流側端は第一の触媒１に接続されている。また、第一の触媒１と発電ユニット３とは第二排気管１２で接続され、発電ユニット３と第二の触媒２とは第三排気管１３で接続されている。さらに、第二の触媒２の下流側にはマフラ（消音器）４が備えられる。第二の触媒２とマフラ４とは第四排気管１４で接続されている。
【００２１】
第一の触媒１の上流側の排気通路と、第一の触媒１と発電ユニット３との間の排気通路とは、バイパス通路１０で結ばれている。バイパス通路１０は、第一の触媒１の上流側の排気通路である第一排気管１１の途中の分岐点Ａから引き出され、途中第一の触媒１を通らずに、第一の触媒１の下流側の排気通路である第二排気管１２の途中の合流点Ｂに導かれている。バイパス通路１０は、通路上に第一の触媒１がないため排気抵抗は第一の触媒１側の排気通路より小さくなっている。
【００２２】
第一の触媒１、第二の触媒２は、排気ガスが通過することにより、その排気ガスに含まれる炭化水素、窒素酸化物等が浄化（除去）される機能を備えるものである。ガソリンエンジンの場合は、通常、三元触媒が用いられる。ディーゼルエンジンの場合は、酸化触媒やフィルタ（Ｄｉｅｓｅｌ  Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｆｉｌｔｅｒ）が用いられる。
【００２３】
触媒は、排気ガスの浄化に有効な温度条件がある。触媒の温度が、その触媒特有の触媒活性温度以上であれば、通常の運転状況ではない異常な高温ではない限り、有害物質の浄化が良好に行われる。ここで、第一の触媒１は触媒活性温度Ｔ１であり、第二の触媒２は触媒活性温度Ｔ２である。
【００２４】
発電ユニット３は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換し得る特性をもつ半導体素子を備えている。この実施形態では、半導体素子としてペルティエ素子と呼ばれる熱電素子を採用している。
【００２５】
ペルティエ素子は、２種類の金属の接合部に電流を流すと、一方の金属から他方の金属へと熱が移動するペルティエ効果を利用した板状の半導体素子である。ここでは、両金属間に温度差を与えることで、逆に電圧を生じさせて起電力を得ている。得られた電力は、別途備えられた二次電池に充電される。
【００２６】
発電ユニット３は、熱電素子の一方の金属側の面（高温側）が排気通路の周面に向き合っており、他方の金属側の面（低温側）は大気に接触した状態とすることで、高温側と低温側との温度差を得て発電する。このとき、他方の金属側の面（低温側）に、例えば、冷却水等を通すことで、高温側と低温側との温度差を高めることもできる。
【００２７】
また、第一の触媒１及び第二の触媒２には、それぞれ触媒の温度を検出する温度検出手段２１，２２が備えられている。この実施形態では、温度検出手段２１，２２は、各触媒１，２の出口付近において、排気や部材の温度を測定する温度センサーである。温度検出手段２１，２２によって得られた第一の触媒１及び第二の触媒２の温度は、ケーブル２１ａ，２２ａを通じて、エンジンＥを制御するコンピュータ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）に備えられた制御手段２０へ送られる。
【００２８】
バイパス通路１０の途中には、そのバイパス通路１０内の流路を開閉する流量調整弁２３ｂが備えられている。流量調整弁２３ｂは、第一の触媒１を通る排気通路とバイパス通路１０の排気の流量の比率を調整する流量調整手段２３として機能する。
【００２９】
流量調整弁２３ｂは、バイパス通路１０内の排気の流量を調整し得るバタフライ型弁装置であり、弁体がアクチェータ等の動作手段の駆動力によって、流路を開閉するようになっている。流量調整弁２３ｂの構造としては、バタフライ型弁装置以外の弁装置であってもよい。
【００３０】
流量調整弁２３ｂの開閉は、制御手段２０の指令に基づいて行われる。指令はケーブル２３ａを通じて発信される。具体的には、温度検出手段２１，２２により検出された第一の触媒１及び第二の触媒２の温度の情報に基づいて、制御手段２０は、流量調整弁２３ｂを開閉する指令を出し、その開閉によって、第一の触媒１を通る排気通路とバイパス通路１０の排気の流量の比率が調整される。
【００３１】
この排熱回収装置３０の作用を説明すると、インテークマニホールド３１からの混合気の導入によってエンジンＥが稼働し、燃焼室からの排気ガスが第一排気管１１を通じて排出される。排気ガスは、そのまま第一排気管１１を通って第一の触媒１に至るが、排気ガスの一部は、分岐点Ａからバイパス通路１０へも侵入する。
【００３２】
ここで、第一の触媒１を通る排気通路とバイパス通路１０の排気の流量の比率を調整する流量調整手段２３は、図２のマップ図に基づいて制御される。流量調整手段２３の制御は、温度検出手段２１，２２による第一の触媒１及び第二の触媒２の温度の情報に基づいて、制御手段２０が行う。図４は、その制御を示すフロー図である。
【００３３】
まず、横軸に示す第一の触媒１の温度が、その第一の触媒１の触媒活性温度Ｔ１以下である場合は、流量調整手段２３は、バイパス通路１０を全閉（図２の「バイパス弁閉」部分参照）して第一の触媒１の温度を上昇させる（図４のステップＳ１、Ｓ４参照）。これにより、第一の触媒１は、早期に触媒活性温度Ｔ１に至り、排気ガスの浄化に適した状態となる。
【００３４】
第一の触媒１の温度がその第一の触媒１の触媒活性温度Ｔ１以上である場合は、第一の触媒１側の排気通路は所定の浄化機能を発揮できるので、流量調整手段２３は、バイパス通路１０を開放してバイパス通路１０を通じて発電ユニット３へ排気を供給することができる。第一の触媒１を経由せず、排気ガスが直接発電ユニット３へ供給されるので、より高い発電量を確保できる。また、バイパス通路１０の排気抵抗は第一の触媒１側の排気通路よりも小さいため、エンジン性能を高めることができる。
【００３５】
このとき、第一の触媒１を経由しない排気ガスが発電ユニット３を通過するので、第二の触媒２の温度は、その第二の触媒２の触媒活性温度Ｔ２以上の温度になっていることが望ましい。
【００３６】
そこで、流量調整手段２３がバイパス通路１０を開放する際、第二の触媒２の温度がその第二の触媒の触媒活性温度Ｔ２以下である場合は、流量調整手段２３は、第二の触媒２の温度に基づいて、バイパス通路１０の開度を調整する（図４のステップＳ１、Ｓ２参照）。
【００３７】
図２に示すように、第一の触媒１の温度が触媒活性温度Ｔ１以上で且つ第二の触媒２の温度が触媒活性温度Ｔ２以下の場合、バイパス通路１０の流量調整弁は、全閉と全開との間の中間開度とする（図２の「バイパス弁による中間開度制御」部分、及び、図４のステップＳ３参照）。また、第二の触媒２の温度が触媒活性温度Ｔ２以上である場合は、バイパス通路１０の流量調整弁を全開とする（図２の「バイパス弁開」部分、図４のステップＳ５参照）。このとき、第一の触媒１の温度に関わらず、バイパス通路１０を全開にすることができる。
【００３８】
ここで、バイパス通路１０の流量調整弁の中間開度の制御（図４のステップＳ３参照）について、例えば、第二の触媒２の温度と触媒活性温度Ｔ２との温度差の値に基づいて、温度差が大きければバイパス通路１０の流量調整弁の開度を小さく、温度差が小さければ、バイパス通路１０の流量調整弁の開度を大きくする手法を採用できる。
【００３９】
図３は、第二の触媒２の温度がその第二の触媒２の触媒活性温度Ｔ２以下である場合に、第二の触媒２の温度と触媒活性温度Ｔ２との温度差と、バイパス通路１０の流量調整弁の開度との関係を示す。ここで、図３（ａ）は、バイパス通路１０の開度を、前記温度差に基づいて連続的に無段階で調整しているが、これを、図３（ｂ）のように、一定の幅の温度差毎に一定の開度を決定する段階的な開度調整としてもよい。
【００４０】
この実施形態において、流量調整手段２３は、バイパス通路１０に設けられる流量調整弁２３ｂを制御手段２０で開閉制御する構成としたが、この流量調整弁２３ｂを、第一の触媒１を通る排気通路に設けてもよい。さらには、バイパス通路１０と、第一の触媒１を通る排気通路の両方に流量調整弁２３ｂを設けて、それらを制御手段２０で開閉制御してもよい。第一の触媒１を通る排気通路に流量調整弁２３ｂを設ければ、排気ガスの全量をバイパス通路１０経由と制御することができる。
【００４１】
以上のように、排気通路の発電ユニット３を挟んで上流側に第一の触媒１、下流側に第二の触媒２を配置し、上流側の第一の触媒１を迂回するバイパス通路１０を設けたので、発電ユニット３への排気ガスの供給は、上流側の第一の触媒１を通るルートと、上流側の第一の触媒１を経由しないバイパス通路１０のルートとを使いわけることができる。このため、発電ユニット３に、上流側の第一の触媒１を通らないバイパス通路１０経由の排気ガスを供給しても、下流側の第二の触媒２が排気ガスの浄化をすることができる。
【００４２】
また、仮に、下流側の第二の触媒２が排気の浄化に有効な温度条件にない場合でも、上流側の第一の触媒１が浄化の機能を発揮でき、この間も発電の継続は可能である。そして、下流側の第二の触媒２が排気の浄化に有効な温度条件になれば、バイパス通路１０経由の流量を上げて発電量を高めることができる。このように、全体として触媒の浄化機能を維持しながら発電を継続でき、より高い発電量を確保できる。
【００４３】
なお、以上は、エンジンＥとしてガソリンエンジンを想定して説明したが、ディーゼルエンジン等の他のエンジンでも、この発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１  第一の触媒
２  第二の触媒
３  発電ユニット
４  マフラ（消音器）
１０  バイパス通路
１１  第一排気管（エキゾーストマニホールド）
１２  第二排気管
１３  第三排気管
１４  第四排気管
２０  制御手段
２１，２２  温度検出手段（温度センサ）
２３  流量調整手段
３０  排熱回収装置
【図１】
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【図２】
2014240643.tif 000004
【図３】
2014240643.tif 000005
【図４】
2014240643.tif 000006