(57)【要約】【課題】より簡便な構造で、触媒温度が触媒活性温度に到達する時間を阻害することなく、かつ効率的に排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーとして回収可能な廃熱回収発電装置を提供する。【解決手段】廃熱回収発電装置は、排気ガスを浄化する触媒を有する内燃機関の排気ガス経路において、排気ガス経路の内燃機関と触媒との間に排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換部が設けられる。排気ガス経路の内燃機関と触媒との間には、熱電変換部を迂回するバイパス経路が設けられ、流路切換部によって、排気ガスの流路が熱電変換手部を通過する流路と、バイパス経路を通過する流路との間で切り換えられる。【選択図】図１
2018062873.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関と、
前記内燃機関からの排気ガスが通過する排気ガス経路と、
前記排気ガス経路に設けられ、前記排気ガスを浄化する触媒と、
前記排気ガス経路の前記内燃機関と前記触媒との間に設けられ、前記排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換部と、
前記排気ガス経路の前記内燃機関と前記触媒との間に設けられ、前記熱電変換部を迂回するバイパス経路と、
前記排気ガス経路の前記内燃機関と前記バイパス経路との間に設けられ、前記排気ガスの流路を、前記熱電変換手部を通過する流路と、前記バイパス経路を通過する流路との間で切換える流路切換部と、を含む廃熱回収発電装置。
【請求項２】
前記熱電変換部は、電気エネルギーを供給されることにより、前記排気ガスを加熱可能に構成されている、請求項１に記載の廃熱回収発電装置。
【請求項３】
前記触媒は選択触媒還元脱硝装置である、請求項２に記載の廃熱回収発電装置。
【請求項４】
前記内燃機関はディーゼルエンジンであり、
前記内燃機関と前記流路切換部との間に前記排気ガス中の粒子状物質を捕集するためのＤＰＦが設けられる、請求項１から３のいずれか１項に記載の廃熱回収発電装置。
【請求項５】
前記熱電変換部は互いに隣接する高温部及び低温部を備え、
前記高温部には前記排気ガスが供給され、
前記低温部には前記内燃機関の冷却水が供給される、請求項１から４のいずれか１項に記載の廃熱回収発電装置。
【請求項６】
前記内燃機関の出力を用いて駆動されることにより発電可能なオルタネータと、
前記オルタネータ及び熱電変換部における発電量を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記熱電変換部で発電が行われている間、前記オルタネータにおける発電を停止させる、請求項１から５のいずれか１項に記載の廃熱回収発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、内燃機関の排気ガスに含まれる熱エネルギーを電気エネルギーに変換して回収する廃熱回収発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両に走行用動力源として搭載される内燃機関では、運転時に、熱エネルギーを含む排気ガスが放出される。近年、車両性能として燃費性能が重視されている。これに伴い、排気ガスに含まれる熱エネルギー（廃熱）を回収する廃熱回収装置を搭載することで、車両のエネルギー効率を改善し、良好な燃費性能を達成する車両の開発が進められている。典型的な排熱回収装置では、排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う、いわゆる廃熱回収発電装置が典型的である。廃熱回収発電装置で発電された電力は、車内負荷に供給される他、その余剰分を蓄電用のバッテリに充電することで、良好な燃費性能が達成される。
【０００３】
この種の廃熱回収発電装置として、例えばランキンサイクル等の熱サイクルを利用したものが知られている。しかしながら、このような熱サイクルを利用する廃熱回収発電装置は、熱サイクルの各工程に対応する構成要素を作動媒体が流れる循環経路を介して接続する構造を有するため、構成が比較的複雑になり、車両のように設置スペースが限られる用途では搭載性が問題となる場合がある。
【０００４】
そこで、このような搭載性の問題を解消するために、比較的構成が簡便な熱電素子を利用した廃熱回収発電装置の開発が行われている。熱電素子は２種類の異種金属（または半導体）の両端を接続し、その両端に温度差を設けると起電力が発生するゼーベック効果を利用する発電素子である。熱電素子を利用する発電方式は、熱電発電（ＴＥＧ：Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）と称される。熱電素子は、上述のように２種類の異種金属からなるシンプルな構成であるため、これを利用することで、廃熱回収発電装置の搭載性を改善できるメリットがある。
【０００５】
特許文献１は、熱電素子を利用した廃熱回収発電装置の一例である。この例では、排気ガスを浄化するための触媒が設けられた排気ガス経路を有する内燃機関において、触媒より上流側に熱電素子を含む発電装置を設けることで、排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換して回収することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１３７１８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１のように、排気ガス経路に排気ガスを浄化するための触媒を有する場合、触媒の上流側に熱電素子のように熱エネルギーを吸収する要素が存在すると、触媒が活性温度に達する時間が長くなってしまい、排気ガスの浄化性能が低下してしまうおそれがある。これに対して特許文献１では、発電装置（熱電素子）の伝熱状態が構造的に可変になるように構成することで、内燃機関の運転状態に応じて伝熱状態を調整し、触媒が触媒活性温度に到達する時間が長くなることを防止している。しかしながら、このように発電装置に伝熱状態を変化させるための可動機構を設けることは、装置構成の複雑化を招いてしまい、メンテナンス性の低下や製造上のコスト上昇の要因となってしまう。
【０００８】
本発明の少なくとも１実施形態は上記事情に鑑みなされたものであり、より簡便な構造で、触媒が触媒活性温度に到達する時間を阻害することなく、かつ効率的に排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーとして回収可能な廃熱回収発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）本発明の少なくとも１実施形態に係る廃熱回収発電装置は上記課題を解決するために、内燃機関と、前記内燃機関からの排気ガスが通過する排気ガス経路と、前記排気ガス経路に設けられ、前記排気ガスを浄化する触媒と、前記排気ガス経路の前記内燃機関と前記触媒との間に設けられ、前記排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換部と、前記排気ガス経路の前記内燃機関と前記触媒との間に設けられ、前記熱電変換部を迂回するバイパス経路と、前記排気ガス経路の前記内燃機関と前記バイパス経路との間に設けられ、前記排気ガスの流路を、前記熱電変換手部を通過する流路と、前記バイパス経路を通過する流路との間で切換える流路切換部と、を含む。
【００１０】
上記（１）の構成によれば、内燃機関の排気ガス経路のうち、排気ガスを浄化するための触媒と内燃機関との間には、排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換可能な熱電素子を含む熱電変換部が設けられている。このような排気ガス経路は、内燃機関と触媒との間において、熱電変換部を迂回するバイパス経路を有しており、流路切換部によって、排気ガスの流路が、熱電変換部を通過する流路とバイパス経路を通過する流路との間で切換え可能に構成されている。
【００１１】
流路切換部によって前者の流路が選択された場合には、熱電変換部に導かれる排気ガスに含まれる熱エネルギーによって発電が行われる。一方、流路切換部によって後者の流路が選択された場合には、排気ガスは熱電変換部を通過することなく、下流側の触媒に導かれる。そのため、排気ガスの熱エネルギーは熱電変換部によって奪われないため、排気ガスは温度が高く維持された状態で触媒に供給される。その結果、触媒が触媒活性温度に到達する時間が阻害されない。
【００１２】
従って、流路切換部によって排気ガスの流路を切り換えることで、触媒が触媒活性温度に到達する時間を阻害することなく、かつ効率的に排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーとして回収することが可能となる。このような廃熱回収発電装置は、装置構成が簡便であり、限られたスペースを有する車両に対して良好な搭載性を発揮するとともに、低コスト化にも効果的である。
【００１３】
（２）幾つかの実施形態では上記（１）の構成において、前記熱電変換部は、電気エネルギーを供給されることにより、前記排気ガスを加熱可能に構成されている。
【００１４】
上記（２）の構成によれば、熱電変換部に電気エネルギーを供給することにより、いわゆる熱電素子のペルチェ効果に基づいて熱エネルギーが生じ、熱電変換部を実質的にヒータとして機能できる。そのため、流路変換部によって熱電変換部を通る流路が選択されている場合には、熱電変換部に電気エネルギーを供給することで排気ガスを積極的に加熱し、触媒が触媒活性温度に到達するまでの時間を効果的に短縮できる。
【００１５】
（３）幾つかの実施形態では上記（２）の構成において、前記触媒は選択触媒還元脱硝装置である。
【００１６】
上記（３）の構成によれば、排気ガス経路に設けられる触媒は、排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を、還元剤を用いて浄化する選択触媒還元脱硝装置（ＳＣＲ：Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）である。選択触媒還元脱硝装置では、還元剤として例えば尿素水が用いられる。還元剤は、排気ガスの高温雰囲気下で加水分解され、生成されたアンモニアが排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）と化学反応することで窒素（Ｎ２）と水（Ｈ２Ｏ）とに還元することにより浄化が行われる。
【００１７】
このような選択触媒還元脱硝装置では、尿素水の加水分解の反応速度が雰囲気温度に依存するため、例えば冷態始動時のように排気ガスが比較的低温な場合には、所定量のアンモニアを生成するために必要とされる還元剤の消費量が増加してしまう。本構成では、上述のように熱電変換部をヒータとして機能させることで排気ガスの昇温を促進できることから、還元剤の消費を効果的に抑制できる。その結果、還元剤の貯蔵タンクの容量が少なく済むため、限られたスペースを有する車両に対して良好な搭載性を発揮するとともに、還元剤の消費量削減による経済性も達成できる。
【００１８】
（４）幾つかの実施形態では上記（１）から（３）のいずか１構成において、前記内燃機関はディーゼルエンジンであり、前記内燃機関と前記流路切換部との間に前記排気ガス中の粒子状物質を捕集するためのＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ  Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｆｉｌｔｅｒ）が設けられる。
【００１９】
上記（４）の構成によれば、内燃機関がディーゼルエンジンであるため、その排気ガス中には、煤等の粒子状物質が含まれる。粒子状物質は、排気ガス経路に設置されるＤＰＦによって捕集される。ここで、ＤＰＦは排気ガス経路のうち内燃機関と流路切換部との間に設けられているので、熱電変換部にはＤＰＦによって粒子状物質が捕集された後の排気ガスが供給される。そのため、熱電変換部に粒子状物質が蓄積することで性能低下が生じない。
【００２０】
また熱電変換部の上流側にＤＰＦがあるため、熱電変換部は内燃機関に対して所定距離を隔てた位置に配置される。そのため、内燃機関から排出された直後の高温な排気ガスに熱電変換部が曝されることがなく、過熱によって熱電変換部に不具合や寿命低下が生じることを抑制できる。
【００２１】
（５）幾つかの実施形態では上記（１）から（４）のいずれか１構成において、前記熱電変換部は互いに隣接する高温部及び低温部を備え、前記高温部には前記排気ガスが供給され、前記低温部には前記内燃機関の冷却水が供給される。
【００２２】
上記（５）の構成によれば、熱電変換部は高温部及び低温部を備え、これらの間に生じる温度差に基づいて発電が行われる。高温部には排気ガスが供給されることにより、排気ガスの熱エネルギーによって高温が形成されるとともに、低温部には内燃機関の冷却水が供給されることにより低温が形成される。
【００２３】
（６）幾つかの実施形態では上記（１）から（５）のいずれか１構成において、前記内燃機関の出力を用いて駆動されることにより発電可能なオルタネータと、前記オルタネータ及び熱電変換部における発電量を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記熱電変換部で発電が行われている間、前記オルタネータにおける発電を停止させる。
【００２４】
上記（６）の構成によれば、発電用装置として上述の熱電変換部に加えて、内燃機関の出力で駆動可能なオルタネータを備える。制御部は、熱電変換部にて発電が行われている場合には、オルタネータによる発電は停止する。これにより、内燃機関の出力を利用するオルタネータの使用期間が短縮されるため、装置全体のエネルギー効率が向上できる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の少なくとも１実施形態によれば、より簡便な構造で、触媒温度が触媒活性温度に到達する時間を阻害することなく、かつ効率的に排ガスの熱エネルギーを電気エネルギーとして回収することができる廃熱回収発電装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係る廃熱回収発電装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】図１の熱電変換部の近傍を拡大して示す模式図である。
【図３Ａ】排気ガスが熱電変換部を通る流路Ａを示す模式図である。
【図３Ｂ】排気ガスが熱電変換部を通ることなくバイパス経路を通る流路Ｂを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
また例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【００２８】
図１は本発明の一実施形態に係る廃熱回収発電装置１の全体構成を示す模式図である。
廃熱回収発電装置１は、車両に走行用動力源として搭載される内燃機関２から排出される排気ガスの熱エネルギー（廃熱）を回収して発電を行う装置である。内燃機関２は化石燃料をシリンダ内で燃焼させて仕事をする原動機であり、本実施形態では内燃機関２として燃料として軽油を使用する４シリンダディーゼルエンジンが例示されている。
尚、本発明の適用対象には燃料としてガソリンを使用するガソリンエンジンが含まれてもよい。
【００２９】
内燃機関２では、吸気ガス経路４から取り込んだ空気（外気）は吸気マニホールド５を介して各シリンダに供給され、各シリンダにてピストンサイクルに応じて圧縮加熱される。また各シリンダでは、圧縮過熱された空気に対してインジェクタから燃料を噴射し、燃料が自己着火することにより燃焼が行われる。本実施形態では、内燃機関２は過給用のターボチャージャ６を備える。ターボチャージャ６は、排気ガスにより駆動されるタービン８と、該タービン８と連動するコンプレッサ１０とを有する。
尚、吸気ガス経路４のうちコンプレッサ１０の下流側には、コンプレッサ１０によって圧縮された吸気を冷却するためのインタークーラ１２が設置されている。
【００３０】
また内燃機関２はコモンレールシステム（不図示）を搭載しており、各シリンダに供給される燃料は、サプライポンプで高圧にされてレール(蓄圧室)内に蓄えられ、所定タイミングでインジェクタから各シリンダに所定量が噴射されるように制御される。
【００３１】
各シリンダで生じる排気ガスは、排気マニホールド１４を介して排気ガス経路１６から外部に排出される。排気ガス経路１６のうちターボチャージャ６を構成するタービン８の下流側には、ＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ  Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｆｉｌｔｅｒ）１８が設けられており、排気ガスに含まれる粒子状物質が捕集される。
尚、ＤＰＦ１８は粒子状物質の捕集量が所定量を超えた場合に、捕集性能の低下を改善するために捕集した粒子状物質を燃焼する再生機能を有していてもよい。
【００３２】
排気ガス経路１６のうちＤＰＦ１８より下流側には、排気ガスを浄化するための触媒２０が設けられている。本実施形態では、排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するための触媒２０として、選択触媒還元脱硝装置（ＳＣＲ：Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）が用いられている。選択触媒還元脱硝装置は、還元剤として例えば尿素水が用いられる。還元剤は、排気ガスの高温雰囲気下で加水分解され、生成されたアンモニアが排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）と化学反応することで窒素（Ｎ２）と水（Ｈ２Ｏ）とに還元することにより浄化が行われる。
【００３３】
また内燃機関２は、排気ガスの一部を吸気側に還流させることにより、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減や部分負荷時の燃費向上を目的とするＥＧＲシステム２２を備える。ＥＧＲシステム２２は、排気マニホールド１４と吸気マニホールド５との間に形成されたＥＧＲ経路２４と、ＥＧＲ経路２４を通過する排気ガスを冷却するためのＥＧＲクーラ２６と、排気ガスの還流量を調整するためのＥＧＲバルブ２８と、を備える。ＥＧＲバルブ２８の開度は、不図示のコントロールユニットにより制御され、ＥＧＲシステム２２による排気ガスの還流量が調整される。
【００３４】
内燃機関２のシリンダブロック等にはウォータージャケット（不図示）が設けられており、該ウォータージャケット中を冷却水が流れることにより、内燃機関２の水冷が行われている。冷却水は循環経路３０を循環する。循環経路３０は、冷却水を圧送するための冷却水ポンプ３２と、冷却水を外気と熱交換して放熱するためのラジエータ３４と、を備える。内燃機関２を冷却することで温度が上昇した冷却水は、冷却水ポンプ３２によってラジエータ３４に送られ、外気との熱交換により冷却された後、再び内燃機関２に送られる。
【００３５】
ラジエータ３４における放熱は、ラジエータ３４に面するように配置されたラジエータファン３５による送風により促進される。ラジエータファン３５は、内燃機関２の動力の一部を用いて駆動され、その送風量は、例えばラジエータ３４に送られる冷却水の温度に応じて制御されることにより、冷却水の温度は適切な範囲に冷却される。
【００３６】
また冷却水ポンプ３２は、内燃機関２とベルト等の伝達機構を介して機械的に接続されることにより、内燃機関２の動力の一部を用いて駆動する機械式ポンプであるが、後述するバッテリ４２に蓄電された電力や、オルタネータ３６又は熱電変換部４４で発電される電力を用いて駆動される電動式ポンプであってもよい。
【００３７】
内燃機関２で発生する動力は、主に、不図示の出力軸を介して車両の走行輪側に伝達されるが、その一部は、ベルト等の伝達機構を介して発電用のオルタネータ３６に伝達される。オルタネータ３６は、内燃機関２から伝達される動力で回転されることにより交流電力を発電する交流発電機である。オルタネータ３６で発電された交流電力は、インバータ３８によって直流変換された後、車内負荷４０に供給されるほか、余剰分はバッテリ４２に蓄積される。
尚、オルタネータ３６は上記のように発電に用いられる他、バッテリ４２に蓄積される電力を消費して電動機（モータ）として駆動することで、内燃機関２をアシストすることもできる。
【００３８】
また排気ガス経路１６のうち内燃機関２と触媒２０との間には、排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換するための熱電変換部４４が設けられる。熱電変換部４４は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換可能な熱電素子を含んでおり、熱電発電（ＴＥＧ：Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）が行われる。熱電素子は２種類の異種金属（または半導体）の両端を接続し、その両端に温度差を設けると起電力が発生するゼーベック効果を利用する素子である。
【００３９】
ここで図２は図１の熱電変換部４４の近傍を拡大して示す模式図である。熱電変換部４４は互いに隣接する高温部４４ａ及び低温部４４ｂを備える。高温部４４ａは、排気ガス経路１６を流れる排気ガスに対して熱的に接触するように形成されており、排気ガスによって加温される。一方、低温部４４ｂは、循環経路３０から分岐する冷却水導入ライン４６を介して低温の冷却水が導入されることにより冷却される。このようにして高温部４４ａ及び低温部４４ｂの間には温度差が形成され、温度差に基づく起電力が発生する。
尚、図２の例では、熱電変換部４４は、高温部４４ａが排気ガス経路１６に沿って内側に設けられるとともに、低温部４４ｂが高温部４４ａの回りを外側から囲むように形成されているが、熱電変換部の具体的構成は、これに限定されないことは言うまでもない。
【００４０】
尚、冷却水導入ライン４６は、循環経路３０のうちラジエータ３４の下流側に接続されることにより、ラジエータ３４による冷却後の低温の冷却水が、熱電変換部４４に導入されるように形成されている。また熱電変換部４４の低温部４４ｂに導入された冷却水は、低温部４４ｂと熱交換することにより温度が上昇した後、冷却水戻しライン４８を介して循環経路３０に戻される。この冷却水戻しライン４８は、循環経路３０のうちラジエータ３４の上流側に接続されており、熱電変換部４４を通過することにより温度が上昇した冷却水が、内燃機関２からの冷却水とともにラジエータ３４にて冷却されるように形成されている。
【００４１】
循環経路３０に対する冷却水導入ライン４６及び冷却水戻しライン４８の接続構成を、このように形成することで、循環経路３０に設けられる冷却水ポンプ３２によって、熱電変換部４４への冷却水供給・戻しを賄うことができる。すなわち、冷却水導入ライン４６又は冷却水戻しライン４８に、他のポンプを増設することなく、熱電変換部４４への冷却水供給が可能となる。
【００４２】
尚、冷却水導入ライン４６及び冷却水戻しライン４８に、熱電変換部４４への冷却水供給を行うためのポンプを増設してもよい。この場合、ポンプ増設に伴ってコストが少なからず増えてしまうが、冷却水ポンプ３２と独立的に制御することで、よりきめ細やかな冷却水の流量制御が可能となる。
【００４３】
熱電変換部４４で発電された電力は温度差に応じた電圧を有する直流であるため、コンバータ４９によって所定の電圧に変圧される。コンバータ４９の出力は、車内負荷４０に供給されるほか、余剰分はバッテリ４２に蓄積される。
尚、本実施形態では、上述のオルタネータ３６で発電された電力と、熱電変換部４４で発電された電力の供給先（車内負荷４０及びバッテリ４２）を共用している場合を示しているが、これらは独立的に設けられていてもよい。
【００４４】
オルタネータ３６及び熱電変換部４４における発電量は、コントロールユニットである制御部５０によってそれぞれ制御される。制御部５０は、電子演算装置等からなるＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）の一部として構成されており、予めインストールされた所定のプログラムに応じた制御を実行する。本実施形態では特に、制御部５０は熱電変換部４４における発電状態を検知し、熱電変換部４４で発電が行われている間、オルタネータ３６における発電が停止するように制御する。つまり、熱電変換部４４の発電によって車内負荷４０が賄われている場合には、内燃機関２の出力の一部を消費するオルタネータ３６を停止させることで、内燃機関２の出力効率が改善され、燃費性能が向上する。
【００４５】
このような熱電変換部４４は、排気ガス経路１６のうちＤＰＦ１８より下流側に設けられている。そのため、熱電変換部４４にはＤＰＦ１６によって粒子状物質が捕集された後の排気ガスが供給される。そのため、熱電変換部４４に粒子状物質が蓄積することで性能低下が生じることがない。
【００４６】
また熱電変換部４４の上流側にはＤＰＦ１８があるため、熱電変換部４４は内燃機関２に対して所定距離を隔てた位置に配置される。そのため、内燃機関２から排出された直後の高温な排気ガスに熱電変換部４４が曝されることがなく、過熱によって熱電変換部４４に不具合や寿命低下が生じることを抑制できる。
【００４７】
尚、排気ガス経路１６にＤＰＦ１８がない場合（例えば内燃機関２がガソリンエンジンである場合）、熱電変換部４４は、該熱電変換部４４に導入される排気ガスの温度が適正範囲になるように、内燃機関２（又はタービン８）から所定の距離を隔てて配置するとよい。このとき、熱電変換部４４における熱電変換効率が良好になる温度範囲になるように、熱電変換部４４に位置を決定するとよい。
【００４８】
排気ガス経路１６のうち内燃機関２と触媒２０との間には、熱電変換部４４を迂回するバイパス経路５２が設けられている。バイパス経路５２の上流側の端部は、ＤＰＦ１８と熱電変換部４４との間にて排気ガス経路１６の主流路に対して接続されている。ここでバイパス経路５２の上流側の端部は、流路切換部５４を介して排気ガス経路１６に接続されている。流路切換部５４は、例えば三方弁のようなバルブ機構であり、その開閉状態に応じて、内燃機関２から排出される排気ガスの流路が、熱電変換部４４を通過する流路Ａと、バイパス経路５２を通過する流路Ｂとの間で切換可能に構成されている。
【００４９】
ここで図３Ａは排気ガスが熱電変換部４４を通る流路Ａを示す模式図であり、図３Ｂは排気ガスが熱電変換部４４を通ることなくバイパス経路５２を通る流路Ｂを示す模式図である。
【００５０】
図３Ａに示されるように、流路切換部５４によって流路Ａが選択された場合には、排気ガスの温度が十分高いことを条件に、熱電変換部４４にて上述のように発電が行われることで、熱エネルギーを電気エネルギーとして回収することができる。この場合、オルタネータ３６の作動期間を短縮することができるので、全体としてのエネルギー効率が改善され、燃費性能が向上する。
【００５１】
一方、例えば内燃機関２の冷態始動時のように排気ガスの温度が低い場合には、熱電変換部４４に対してバッテリ４２に蓄えられた電力を供給することにより、排気ガスの暖気を促進してもよい。熱電変換部４４が有する熱電素子は、上述の熱電発電とは逆メカニズム（ペルチェ効果）に基づいて、電気エネルギーを熱エネルギーに変換することにより、熱電変換部４４を実質的にヒータとして機能できる。このように熱電変換部４４に電気エネルギーを供給することで排気ガスを積極的に加熱し、触媒２０が触媒活性温度に到達するまでの時間を効果的に短縮できる。
【００５２】
また上述したように触媒２０として選択触媒還元脱硝装置を用いているが、このような選択触媒還元脱硝装置では、尿素水の加水分解の反応速度が雰囲気温度に依存するため、例えば冷態始動時のように排気ガスが比較的低温な場合には、所定量のアンモニアを生成するために必要とされる還元剤の消費量が増加してしまう。本実施形態では、上述のように熱電変換部４４をヒータとして機能させることで排気ガスの昇温を促進できることから、還元剤の消費を効果的に抑制できる。その結果、還元剤の貯蔵タンクの容量が少なく済むため、限られたスペースを有する車両に対して良好な搭載性を発揮するとともに、還元剤の消費量削減による経済性も達成できる。
【００５３】
一方、図３Ｂに示されるように、流路切換部５４によって流路Ｂが選択された場合には、排気ガスは熱電変換部４４を通過することなく、下流側の触媒２０に導かれる。そのため、排気ガスの熱エネルギーは熱電変換部４４によって奪われないため、排気ガスは温度が高く維持された状態で触媒２０に供給される。その結果、触媒２０が触媒活性温度に到達する時間が阻害されない。
【００５４】
このように流路切換部５４によって排気ガスの流路を切り換えることで、内燃機関２の運転性能や触媒の浄化性能を良好に維持しながら、排気ガスに含まれる熱エネルギーによる発電によりエネルギー効率を向上できる。このような廃熱回収発電装置１は、バイパス経路５２を利用して流路切換部５４による切換動作で稼働可能なため、構成が簡潔であり、搭載性に優れるとともにコスト低減に効果的である。
【００５５】
以上説明したように本発明の少なくとも１実施形態によれば、より簡便な構造で、触媒温度が触媒活性温度に到達する時間を阻害することなく、かつ効率的に排気ガスの熱エネルギーを電気エネルギーとして回収可能な廃熱回収発電装置を提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明の少なくとも１実施形態は、内燃機関の排気ガスに含まれる熱エネルギーを電気エネルギーに変換することにより回収する廃熱回収発電装置に適用可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１  廃熱回収発電装置
２  内燃機関
４  吸気ガス経路
５  吸気マニホールド
６  ターボチャージャ
８  タービン
１０  コンプレッサ
１２  インタークーラ
１４  排気マニホールド
１６  排気ガス経路
２０  触媒
２２  ＥＧＲシステム
２４  ＥＧＲ経路
２６  ＥＧＲクーラ
２８  ＥＧＲバルブ
３０  循環経路
３２  冷却水ポンプ
４４  熱電変換部
４４ａ  高温部
４４ｂ  低温部
４６  冷却水導入ライン
４８  冷却水戻しライン
４９  コンバータ
５０  制御部
５２  バイパス経路
５４  流路切換部
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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