(57)【要約】【課題】  内燃機関の排気装置全体をコンパクト化しつつ、熱電発電素子の発電量及び触媒装置の暖機性を好適に確保することのできる内燃機関の熱電発電装置を提供する。【解決手段】  内燃機関の熱電発電装置は、排気通路に排出される排気の熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電素子４１により発電を行う。各熱電発電素子４１は、排気通路に設けられる第１触媒装置３０の外周面側に配設されるとともに、その配設位置は第１触媒装置３０の外周面における排気下流側の部位に偏倚されている。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に排出される排気の熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電素子により発電を行う内燃機関の熱電発電装置であって、
前記排気通路に設けられる触媒装置の外周面側に前記熱電発電素子を配設するとともに、その配設位置を前記触媒装置の外周面における排気下流側の部位に偏倚させた
ことを特徴とする内燃機関の熱電発電装置。
【請求項２】
前記熱電発電素子にあって、前記触媒装置の外周面側に対面する面と反対の面には同熱電発電素子を冷却する冷却機構が設けられ、該冷却機構内に導入される冷却媒体の流れ方向は、前記触媒装置に流入する排気の流れ方向に対して逆方向に設定される
請求項１に記載の内燃機関の熱電発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気の熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電素子を備える内燃機関の熱電発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電素子を用いた発電技術が知られている。この熱電発電素子は、金属あるいは半導体の両端に温度差を設けるとその高温部と低温部との間に電位差が発生するというゼーベック効果を利用しており、同温度差が大きくなるほど発電量も大きくなる。
【０００３】
図６に熱電発電素子の構造についてその一例を示す。同図６に示すように、熱電発電素子は主にｎ型及びｐ型半導体から構成されており、高温側がｎ型半導体ではプラス極に、ｐ型半導体ではマイナス極になる。そしてこれら各半導体は電極にて複数交互に直列接続されてモジュール化されることにより、大きな電力が得られるようになっている。
【０００４】
このような熱電発電素子の利用形態として、例えば特許文献１に記載されるものがある。この特許文献１に記載のものでは、内燃機関の排気通路に設けられた触媒装置（排気浄化用の触媒が担持された担体を備える装置）の上流側に熱電発電装置を別途設けることにより、排気の熱エネルギーを電気エネルギーに変換するようにしている。また、同文献に記載のものでは、触媒装置よりも上流側に設けられた熱電発電装置によって排気の熱量が奪われ、これにより触媒装置の暖機が妨げられる、換言すれば触媒の不活性期間が長くなるといった不具合の発生を抑えるために、触媒が不活性状態にあるときには、熱電発電装置に電力を供給してこれをヒータとして活用するようにもしている。
【特許文献１】特開２０００−２９７６３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記特許文献１に記載のものでは、触媒が不活性状態にあるときには熱電発電装置をヒータとして活用するようにしている。そのため、このときには排気の熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができず、発電量の低下は避けられないものとなる。この点を改善するために同文献には、触媒装置よりも下流側に別の熱電発電装置を設け、これを常に発電用として利用するようにしたものも記載されているが、このような態様では排気装置全体の大型化が避けられないものとなる。
【０００６】
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、内燃機関の排気装置全体をコンパクト化しつつ、熱電発電素子の発電量及び触媒装置の暖機性を好適に確保することのできる内燃機関の熱電発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気通路に排出される排気の熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電素子により発電を行う内燃機関の熱電発電装置であって、前記排気通路に設けられる触媒装置の外周面側に前記熱電発電素子を配設するとともに、その配設位置を前記触媒装置の外周面における排気下流側の部位に偏倚させたことをその要旨とする。
【０００８】
同構成では、触媒装置の外周面側に熱電発電素子を設けるようにしているため、触媒装置及び熱電発電素子が一体とされた熱電発電装置を構築することができる。従って、触媒装置と熱電発電装置とをそれぞれ別体の装置として排気通路に設ける場合と比較して、内燃機関の排気装置全体をコンパクトに構成することができるようになる。
【０００９】
このように触媒装置と熱電発電素子とを一体に設ける場合には、熱電発電素子にあって、触媒装置の外周面側の面が高温側となり、他方の面が低温側となる。ここで触媒が活性化している状態では化学反応熱が発生するため、これによって触媒装置自身の温度が上昇し、熱電発電素子の高温側と低温側との温度差はより大きくなる。そのため、熱電発電素子の発電量をより高めることができるようになる。
【００１０】
また、熱電発電素子を触媒装置の外周面にあって排気下流側の部位に偏倚させて設けるようにしている。そのため、触媒装置における排気上流側の部位では、熱電発電素子によって排気の熱量が吸収され、これにより触媒装置の昇温が抑制されてしまうといった不具合の発生を極力抑えることができる。従って、触媒装置の排気上流側の部位において排気の熱量による昇温を好適に行うことができ、もって触媒装置の暖機性を好適に確保することができるようになる。
【００１１】
また、このように触媒装置の昇温に対する熱電発電素子の影響を抑えることができるため、熱電発電素子は常に発電用として利用することができ、この点においても同素子の発電量を好適に確保することができるようになる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の熱電発電装置において、前記熱電発電素子にあって、前記触媒装置の外周面側に対面する面と反対の面には同熱電発電素子を冷却する冷却機構が設けられ、該冷却機構内に導入される冷却媒体の流れ方向は、前記触媒装置に流入する排気の流れ方向に対して逆方向に設定されることをその要旨とする。
【００１３】
同構成では、熱電発電素子にあって触媒装置の外周面に対面する面と反対の面、すなわち低温側には冷却機構を設けるようにしている。そのため、この機構を設けない場合と比較して、熱電発電素子の高温側と低温側との温度差をより大きくすることができ、同素子の発電量をさらに高めることができるようになる。
【００１４】
ここで、上述したように、触媒が活性状態にあるときには化学反応熱が発生するため、触媒装置の温度分布は均一ではなく、排気下流側に向かうほど同触媒装置の温度は高くなる。他方、上記冷却媒体は冷却機構内を流動する過程で触媒装置から熱量が移動してくるため、冷却媒体の温度はその流れ方向において下流側ほど高くなる。そのため、冷却機構内の冷却媒体の流れ方向を触媒装置に流入する排気の流れ方向から見て順方向に設定する場合と比較して、逆方向に設定する場合の方が熱電発電素子の高温側と低温側との温度差をより大きくすることができる。従って、上記請求項２に記載の構成によれば、熱電発電素子の発電量をさらに高めることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、この発明にかかる内燃機関の熱電発電装置を具体化した一実施形態について、図１〜図４を併せ参照して説明する。
図１は、本実施形態にかかる内燃機関の熱電発電装置２０が適用される車両１の排気系１２についてその概略構成を示している。
【００１６】
同図１に示されるように、排気系１２を構成する排気通路１７には、排気の流れ方向の上流側から順に、エキゾーストマニホールド１３、熱電発電装置２０、第２触媒装置１４、消音器１６等が配設されている。このように構成される排気系１２では、内燃機関１１から排出された排気がエキゾーストマニホールド１３、熱電発電装置２０、並びに消音器１６を通過して外部に排出される。
【００１７】
次に、本実施形態における熱電発電装置２０について、図２〜図４を併せ参照して説明する。
図２に熱電発電装置２０の部分断面図を示す。同図２に示すように熱電発電装置２０は、第１触媒装置３０及び熱電発電スタック４０等から構成されている。
【００１８】
第１触媒装置３０は円筒状の触媒担体３１及び同触媒担体３１を収容する外筒３２から構成されている。触媒担体３１には所定の活性温度に達することにより、排気成分、例えばＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）等を浄化する触媒が担持されている。なお、第１触媒装置３０は第２触媒装置と比較してより多くの触媒が担持されており、その排気浄化性能はより高いものとされている。外筒３２は熱伝導率及び耐腐食性の高い材質（例えばステンレススチール等）で形成されている。同外筒３２の両端は開口されており、その一方端にはエキゾーストマニホールド１３が接続される上流側フランジ３３が設けられており、他端には排気通路１７が接続される下流側フランジ３４が設けられている。
【００１９】
熱電発電スタック４０は複数の熱電発電素子４１や冷却機構４２等から構成されている。各熱電発電素子４１は先の図６に示したものと同様な構造になっている。なお、同熱電発電素子４１の両面に設けられる電極には熱伝導率の高い電気絶縁層４１ａが形成されている。この熱電発電素子４１は第１触媒装置３０の外周面側であって同第１触媒装置３０の軸方向、すなわち排気の流れ方向に複数（本実施形態では２個）設けられており、同第１触媒装置３０の外周面側に対面する面（以下、面Ｈという）が同熱電発電素子４１にあって高温側の面になる。
【００２０】
冷却機構４２は、熱電発電素子４１にあって、第１触媒装置３０の外周面側に対面する面と反対の面に設けられている。この冷却機構４２は、その内部に導入される冷却媒体である冷却水の流れ方向にあってその上流側から順に、導入管４３、第１集合部４４、分配管４５、冷却部４６、第２集合部４７、及び排出管４８等から構成されている。
【００２１】
第１集合部４４及び第２集合部４７は上記外筒３２の円周面よりも外方に設けられた環状の管としてそれぞれ構成されており、排気の流れ方向において上流側に第２集合部４７、下流側に第１集合部４４が設けられている。これら各集合部は、第１触媒装置３０の軸方向に延びる複数の分配管４５で接続されている。
【００２２】
各分配管４５の途中には熱電発電素子４１を冷却する冷却部４６が設けられており、熱電発電素子４１にあって冷却部４６が当接する面（以下、面Ｃという）が同素子の低温側の面になる。この冷却部４６の内部空間には分配管４５を介して冷却水が導入される。また、同冷却部４６は各熱電発電素子４１に対応させてそれぞれ個別に設けられている。
【００２３】
導入管４３は第１集合部４４に接続されており、この導入管４３を介して第１集合部４４に冷却水が導入される。また、排出管４８は第２集合部４７に接続されており、第２集合部の冷却水はこの排出管４８を介して別途設けられた冷却系に導入される。
【００２４】
さらに、複数の熱電発電素子４１、換言すれば熱電発電スタック４０は、第１触媒装置３０の外周面側であってその排気下流側の部位に偏倚して設けられている。
次に、図２におけるＡ−Ａ断面を図３に示す。同図３に示すように、触媒担体３１は外筒３２内に挿入されており、同外筒３２は、台座３５に挿入されている。この台座３５は熱伝導率の高い材料、例えばアルミニウムや銅等で形成されており、その外周面は上記外筒３２の挿入方向に延びる八角柱形状とされている。またその内部には上記外筒を挿入させるための孔が形成されている。
【００２５】
台座３５の外周面には複数の熱電発電素子４１が当接されている。なお、本実施形態では台座３５の径方向に８個、同台座３５の軸方向に２個の熱電発電素子４１が配設されており、台座３５の外周面には計１６個（８個×２個）の熱電発電素子４１が当接されている。また、各熱電発電素子４１は台座３５の径方向にあって等角度（４５°）毎に配置されている。
【００２６】
各熱電発電素子４１の面Ｃには上述した冷却部４６がそれぞれ当接されている。なお、同図３に示すように、各冷却部４６の内部には、複数の放熱板４９が形成されている。
各冷却部４６にあって熱電発電素子４１が当接されている面と反対の面には、皿ばね５０及びばね押さえ５１が配設されている。そして各熱電発電素子４１に当接された各冷却部４６は、皿ばね５０及びばね押さえ５１を介してバンド５２にて固定されている。
【００２７】
このように構成された本実施形態にかかる熱電発電装置２０では、第１触媒装置３０内に内燃機関１１の排気が流入することにより、第１触媒装置３０の暖機、換言すれば触媒担体３１に担持された触媒の活性化が促進される。そして、触媒の温度が所定の活性温度に達すると排気成分は触媒によって浄化され、浄化後の排気は排気通路１７に流出される。
【００２８】
他方、第１触媒装置３０は排気熱によって昇温されるため、各熱電発電素子４１にあって該第１触媒装置３０の外周面側に当接する面Ｈは高温になる。一方、各熱電発電素子４１にあって冷却部４６に当接する面Ｃは冷却水によって冷却され、低温になる。このように熱電発電素子４１の各面にあって両者の間には温度差が生じることにより熱電発電素子４１には電位差が生じ、発電がなされる。
【００２９】
ここで、触媒が活性化している状態では化学反応熱が発生するため、第１触媒装置３０の温度は排気からの受熱以上に上昇し、熱電発電素子４１の高温側の温度はさらに高められる。すなわち、熱電発電素子４１は第１触媒装置３０の外周面側に配設されることによって、その高温側と低温側との温度差がより大きくなり、もって同熱電発電素子４１の発電量はさらに高められる。
【００３０】
また、熱電発電素子４１（熱電発電スタック４０）を第１触媒装置３０の外周面にあって排気下流側の部位に偏倚させて設けるようにしている。そのため、第１触媒装置３０の排気上流側の部位では、熱電発電素子４１によって排気の熱量が吸収されてしまうことにより第１触媒装置３０の昇温が抑制されてしまうといった不具合の発生を極力抑えることができる。従って、第１触媒装置３０の排気上流側の部位は排気の熱量による昇温が十分になされ、もって第１触媒装置３０の暖機性は確保される。
【００３１】
このように本実施形態では第１触媒装置３０の昇温に対する熱電発電素子４１の影響を抑えることができる。そのため、上述した従来の熱電発電装置では熱電発電素子をヒータとして利用することもあるが、本実施形態では熱電発電素子４１は常に発電用として利用することができる。従って、この点においても熱電発電素子４１の発電量は十分に確保される。
【００３２】
また、本実施形態では第１触媒装置３０の外周面に熱電発電素子４１（熱電発電スタック４０）を設けるようにしており、触媒装置及び熱電発電素子が一体とされた熱電発電装置２０を構築している。従って、触媒装置と熱電発電装置とをそれぞれ別体の装置として排気通路に設ける場合と比較して、内燃機関の排気装置全体をコンパクトに構成することができる。
【００３３】
また、熱電発電素子４１にあって第１触媒装置３０の外周面に対面する面と反対の面、すなわち面Ｃ側には冷却機構４２を設けるようにしている。そのため、このような冷却機構を設けない場合と比較して、熱電発電素子４１の高温側と低温側との温度差はより大きくなり、熱電発電素子４１の発電量はさらに高められる。
【００３４】
ここで、上述したように触媒が活性状態にあるときには化学反応熱が発生するため、第１触媒装置３０（触媒担体３１）の温度分布は均一ではなく、図４に示すように排気下流側に向かうほど同第１触媒装置３０の温度は高くなる。他方、上記冷却水は冷却機構４２内を流動する過程で第１触媒装置３０からの熱量が移動してくるため、冷却水の温度はその流れ方向において下流側に向かうほど高くなる傾向にある。そのため、冷却機構４２内の冷却水の流れ方向を第１触媒装置３０に流入する排気の流れ方向から見て順方向に設定する場合と比較して、本実施形態のように逆方向に設定する場合の方が各熱電発電素子４１の高温側と低温側との温度差はより大きくなり、熱電発電素子４１の発電量はさらに高められる。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
（１）第１触媒装置３０の外周面側に熱電発電素子４１を設けることにより、触媒装置及び熱電発電素子が一体とされた熱電発電装置２０を構築するようにしている。従って、触媒装置と熱電発電装置とをそれぞれ別体の装置として排気通路１７に設ける場合と比較して、内燃機関１１の排気装置全体をコンパクトに構成することができるようになる。
【００３６】
（２）触媒が活性化している状態では化学反応熱が発生するため、第１触媒装置３０の温度は排気熱による温度上昇分以上に高くなる。このような第１触媒装置３０に熱電発電素子４１を設けるようにしているため、同熱電発電素子４１の高温側の温度をより高くすることができ、その高温側と低温側との温度差をより大きくすることができる。従って、熱電発電素子４１の発電量をより高めることができるようになる。
【００３７】
（３）各熱電発電素子４１を第１触媒装置３０の外周面にあって排気下流側の部位に偏倚させて設けるようにしている。そのため、第１触媒装置３０における排気上流側の部位の昇温を好適に行うことができ、もって第１触媒装置３０の暖機性を好適に確保することができるようになる。
【００３８】
（４）また、このように第１触媒装置３０の昇温に対する熱電発電素子４１の影響を抑えることができるため、熱電発電素子４１は常に発電用として利用することができ、この点においても同熱電発電素子４１の発電量を好適に確保することができるようになる。
【００３９】
（５）熱電発電素子４１に冷却機構４２を取り付けるようにしている。そのため、この機構を設けない場合と比較して、熱電発電素子４１の高温側と低温側との温度差をより大きくすることができ、発電量を更に高めることができるようになる。
【００４０】
（６）冷却機構４２内に導入される冷却水の流れ方向を、第１触媒装置３０に流入する排気の流れ方向に対して逆方向になるように設定している。そのため、熱電発電素子４１の高温側と低温側との温度差をより大きくすることができ、もって熱電発電素子４１の発電量をさらに高めることができるようになる。
【００４１】
なお、上記実施形態は以下のように変更して実施することもできる。
・上記実施形態では熱電発電装置２０に第１触媒装置３０を設け、その下流側に第２触媒装置１４を設けるようにした。この他にも、図５に示すように、上記外筒３２と同様な外筒３２’の内部にあって、排気の流れ方向の上流側から順に、触媒担体３１と同様な触媒担体３１’及び第２触媒装置１４が備える触媒担体と同様な第２触媒担体６０を設ける。そして第２触媒担体６０の外周面側に上述したような熱電発電スタック４０を配置するようにしてもよい。また、上記実施形態における触媒担体３１を上流側担体、及び下流側担体に分割し、下流側担体の外周面側に上述したような熱電発電スタック４０を配置するようにしてもよい。
【００４２】
・上記実施形態は冷却機構４２を省略して実施することもできる。この場合には、熱電発電素子４１の面Ｃ側が大気に曝されることで同面Ｃは低温状態になる。そしてこの場合であっても、上記（１）〜（４）に記載の効果を得ることができる。
【００４３】
・上記実施形態では、熱電発電素子４１を第１触媒装置３０の外周面における排気下流側の部位に偏倚させた配設態様として、排気下流側の部位のみに熱電発電素子４１を設けるようにしたが、この他の偏倚態様として、次のような偏倚態様を採用することもできる。すなわち、第１触媒装置３０の排気上流側の部位と比較して、排気下流側の部位における熱電発電素子４１の配設密度を高くするようにする。これは例えば、第１触媒装置３０の排気上流側と比較して、排気下流側に設けられる熱電発電素子４１の個数を多くする、といった態様をもって実施することができる。そしてこの場合であっても、上記実施形態と同様な効果を得ることができる。
【００４４】
・上記実施形態では、第１触媒装置３０と熱電発電スタック４０とをバンド５２で固定するようにしたが、それらの固定態様は適宜に変更することができる。また、熱電発電素子４１の配設数も適宜変更することができる。
【００４５】
・上記実施形態では、冷却機構４２の冷却媒体として冷却水を用いるようにしたが、これ以外の冷却媒体を用いることもできる。要は、冷却機構４２を冷却することのできる媒体であればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明にかかる内燃機関の熱電発電装置の一実施形態について、これが適用される車両の排気系の構成を示す概略図。
【図２】同実施形態にかかる熱電発電装置の構造を示す部分断面図。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図。
【図４】触媒担体及び冷却水の温度分布を例示する説明図。
【図５】同実施形態の変形例における熱電発電装置の構造を示す部分断面図。
【図６】熱電発電素子の構造を示す説明図。
【符号の説明】
【００４７】
１…車両、１１…内燃機関、１２…排気系、１３…エキゾーストマニホールド、１４…第２触媒装置、１６…消音器、１７…排気通路、２０…熱電発電装置、３０…第１触媒装置、３１、３１’…触媒担体、３２、３２’…外筒、３３…上流側フランジ、３４…下流側フランジ、３５…台座、４０…熱電発電スタック、４１…熱電発電素子、４１ａ…電気絶縁層、４２…冷却機構、４３…導入管、４４…第１集合部、４５…分配管、４６…冷却部、４７…第２集合部、４８…排出管、４９…放熱板、５０…皿ばね、５１…ばね押さえ、５２…バンド、６０…第２触媒担体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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