(57)【要約】【課題】  排気ガスからの熱の回収効率を高めるとともに、触媒の浄化性能を低下させないようにする排熱回収装置を提供する。【解決手段】  排熱回収装置１は、排気流路１０を備えており、排気流路１０には、高温用スタック２１、低温用スタック２２、触媒２３が設けられている。排気流路１０において、第一流路が選択されたときには、エンジン２から排出された排気ガスは、高温用スタック２１、低温用スタック２２、触媒２３の順番で流通する。また、第二流路が選択されたときには、エンジン２から排出された排気ガスは、触媒２３、低温用スタック２２、高温用スタック２１の順番で流通する。【選択図】  図１
2005090355.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源から放出される気体の熱を利用した熱電変換によって発電を行う熱電変換素子を備え、前記気体の熱を回収する排熱回収装置において、
前記熱源から放出される気体の流路に、第一熱電変換素子と、前記第一熱電変換素子よりも低温で熱電変換を行う第二熱電変換素子と、前記気体を浄化する触媒と、前記流路内を流れる気体の流通方向を選択する選択手段と、が設けられており、
前記選択手段によって第一流路を選択したときには、第一熱電変換素子、第二熱電変換素子、触媒の順番で前記流路を気体が流通し、
第二流路を選択したときには、触媒、第二熱電変換素子、第一熱電変換素子の順番で前記流路中を気体が流通するように構成されていることを特徴とする排熱回収装置。
【請求項２】
前記熱源から放出される気体の熱と、第一熱電変換素子および第二熱電変換素子との間の熱交換量に基づいて触媒に入る気体の温度を計算し、前記触媒を流通する温度と触媒活性温度とに基づいて前記選択手段を制御する請求項１に記載の排熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえばハイブリッド車などの車両などに用いられ、気体中に含まれる熱エネルギーを電気エネルギーに変換するために、気体中に含まれる熱エネルギーを回収する排熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車のエンジンから排出される排気ガスなどには、熱エネルギーが含まれてため、排気ガスをそのまま捨てるとエネルギーの無駄となる。そこで、排気ガスに含まれる熱エネルギーを排熱回収装置によって回収し、電気エネルギーに変換し、たとえばバッテリーに充電しておく技術がある。排気ガス中の熱エネルギーを回収する排熱回収装置としては、特開平６−８１６３９号公報に開示されたものがある。この排熱回収装置は、排気通路に設けられた触媒と、排気熱から電気エネルギーを回収する発電ユニットとを備えており、排気通路には、発電ユニットを迂回するバイパス通路が設けられている。また、排気ガスの流量を調整する排気流量調整弁が設けられており、発電ユニットの耐熱温度を超えないように、排気ガスの流量を排気流量調整弁で調整するようにしている。
【特許文献１】特開平６−８１６３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記特許文献１に開示された排熱回収装置では、発電ユニットの耐熱温度を超えないようにするために、熱の回収を行われていない排気ガスはそのままバイパス通路を介して排気されてしまう。この場合には、排気ガスに含まれるエネルギーを無駄に捨ててしまうことがあった。
【０００４】
また、排気ガス流路に設けられる触媒は、常温よりも高温である触媒活性温度まで温度を昇温させなければ、触媒の浄化性能を十分に発揮することができない。これに対して、触媒を流通する排気ガスが触媒活性温度を下回っていると、触媒は触媒活性温度よりも下がってしまい、触媒の浄化性能を低下させる原因となるものであった。
【０００５】
そこで、本発明の課題は、排気ガスからの熱の回収効率を高めるとともに、触媒の浄化性能を低下させないようにする排熱回収装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決した本発明に係る排熱回収装置は、熱源から放出される気体の熱を利用した熱電変換によって発電を行う熱電変換素子を備え、気体の熱を回収する排熱回収装置において、熱源から放出される気体の流路に、第一熱電変換素子と、第一熱電変換素子よりも低温で熱電変換を行う第二熱電変換素子と、気体を浄化する触媒と、流路内を流れる気体の流通方向を選択する選択手段と、が設けられており、選択手段によって第一流路を選択したときには、第一熱電変換素子、第二熱電変換素子、触媒の順番で流路を気体が流通し、第二流路を選択したときには、触媒、第二熱電変換素子、第一熱電変換素子の順番で流路中を気体が流通するように構成されているものである。
【０００７】
本発明に係る排熱回収装置においては、第一流路と第二流路が形成され、これらの流路を選択する選択手段が設けられている。また、第一流路を選択したときには、触媒よりも第一熱電変換素子に排気ガスを流通させることができるので、通常は、この第一流路に排気ガスを流通させて、第一熱電変換素子によって排気ガス中の熱エネルギーを効率よく回収するようにする。また、第二流路を選択した際には、排気ガスは、第一熱電変換素子よりも先に触媒に流通させられる。この第二流路を選択すると、熱電変換素子によって排気ガスの熱が回収されていない排気ガスを触媒に流通させることができる。したがって、その分、触媒の温度を触媒活性温度に維持しやすくなり、触媒の浄化性能を維持することができる。また、たとえば自動車の始動時など、触媒が冷えているときには、触媒の温度を素早く触媒活性温度にまでを昇温させることができる。
【０００８】
ここで、熱源から放出される気体の熱と、第一熱電変換素子および第二熱電変換素子との間の熱交換量に基づいて触媒に入る気体の温度を計算し、触媒を流通する気体の温度と触媒活性温度とに基づいて選択手段を制御するのが好適である。
【０００９】
このように、触媒を流通する気体の温度と、触媒活性温度に基づいて、選択手段により、第一流路または第二流路の選択を行うことにより、触媒の温度を触媒活性温度に維持してその浄化作用を好適に維持しながら、排気ガス中の熱エネルギーを効率よく回収することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る排熱回収装置によれば、排気ガスからの熱の回収効率を高めるとともに、触媒の浄化性能を低下させないようにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態に係る排熱回収装置の模式的構成図である。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態に係る排熱回収装置１は、エンジン２に接続される排気流路１０を備えている。この排気流路１０には、第一熱電変換素子である高温用スタック２１、第二熱電変換素子である低温用スタック２２、および触媒２３が取り付けられている。
【００１４】
高温用スタック２１は、ステンレス製のフィンを備えており、排気流路１０を流通する排気ガスが比較的高温の状態のときに、効率よく熱回収を行う性能を備えている。この高温用スタック２１には、冷媒を流通させる冷媒流通管が設けられており、ポンプによってこの冷媒流通管に冷媒を流通させることにより、熱電交換が行われる（ＯＮ状態）。逆に、冷媒を流通させなければ、高温用スタック２１における熱電交換は行われない（ＯＦＦ状態）。
【００１５】
また、低温用スタック２２は、アルミニウム製のフィンを備えており、高温用スタック２１で効率よく熱回収が行われる排気ガスの温度よりも、排気ガスの温度が低温のときに、効率よく熱回収を行う性能を備えている。低温用スタック２２でも、高温用スタック２１と同様に、ポンプによって冷媒流通管に冷媒を流通させることにより、熱電交換が行われ（ＯＮ状態）、冷媒を流通させなければ熱電交換は行われない（ＯＦＦ状態）。
【００１６】
さらに、触媒としては、いわゆる三元触媒が用いられており、排気ガス中に含まれる窒素酸化物、一酸化炭素、および炭化水素などの物質を浄化している。
【００１７】
また、排気流路１０は、第一流通部１１、第二流通部１２、第三流通部１３、第四流通部１４、および第五流通部１５を備えており、第二流通部１２〜第五流通部１５が円環状に形成されている。第一流通部１１の一端部は、エンジン２に接続されており、エンジン２から排出される排気ガスは、第一流通部１１に供給される。第一流通部１１の他端部は、第二流通部１２の流路途中位置に接続されている。
【００１８】
第二流通部１２の一端部は、第三流通部１３の一端部に接続されており、第三流通部１３の流路途中位置には、高温用スタック２１が設けられている。また、第三流通部１３の他端部は、第四流通部１４の一端部に接続されており、第四流通部１４の流路途中位置には、低温用スタック２２が設けられている。
【００１９】
さらに、第四流通部１４の他端部は、第五流通部１５の一端部が接続されており、第五流通部１５の流路途中位置には、触媒２３が設けられている。また、第五流通部１５の他端部には、第二流通部１２の他端部が接続されている。そして、第二流通部１２と第三流通部１３との接続位置および第五流通部１５と第二流通部１２との接続位置には、それぞれ車両の排気ガス排出口となる図示しないマフラーに繋がる排気流通部１６，１７が接続されている。これらの第一排気流通部１６および第二排気流通部１７は、排気ガス排出口よりも上流位置で合流し、合流した排気ガスは排気ガス排出口からまとめて排出される。
【００２０】
第一流通部１１と第二流通部１２との接続部には、流路切替第一バルブ（以下「第一バルブ」という）３１が設けられている。また、第二流通部１２と第三流通部１３との接続部には、流路切替第二バルブ（以下「第二バルブ」という）３２が設けられており、第五流通部１５と第二流通部１２との接続部には、流路切替第三バルブ（以下「第三バルブ」という）が設けられている。これらの第一バルブ３１〜第三バルブ３３が、本発明の選択手段となる。
【００２１】
第一バルブ３１は、第一流通部１１を第二流通部１２における第三流通部１３側または第五流通部１５側のいずれに接続するかを切り替える。第二バルブ３２は、第三流通部１３を第二流通部１２または第一排気流通部１６のいずれに接続するかを切り替える。第三バルブ３３は、第五流通部１５を第二流通部１２または第二排気流通部１７のいずれに接続するかを切り替える。
【００２２】
これらの第一バルブ３１〜第三バルブ３３には、それぞれ制御装置３が電気的に接続されている。また、制御装置３には、高温用スタック２１および低温用スタック２２が電気的に接続されており、高温用スタック２１および低温用スタック２２は、それぞれの熱交換量を制御装置３に出力している。
【００２３】
制御装置３では、高温用スタック２１および低温用スタック２２から出力される熱交換量から排気ガスの温度を計算している。さらに、制御装置３には、エンジン２に設けられた図示しない回転数センサおよびアクセルペダルに設けられたスロットル開度センサが接続されている。回転数センサからは制御装置３に対してエンジンの回転数が出力され、スロットル開度センサからは、アクセルペダルの踏み込み量から検出されるスロットル開度が出力する。制御装置３は、これらの排気ガス温度、エンジン回転数、スロットル開度に加え、あらかじめ記憶している触媒２３の触媒活性温度に基づいて、第一バルブ３１〜第三バルブ３３の開閉制御およびスタック２１，２２のＯＮ−ＯＦＦ制御を行っている。
【００２４】
以上の構成を有する本実施形態に係る排熱回収装置１の動作について説明する。
【００２５】
本実施形態に係る排熱回収装置１では、排気ガスの温度に基づいて、排気流路１０を図２に示す時計回りの第一流路および図３に示す反時計回りの第二流路のいずれにするかが選択される。図２に示す第一流路が選択されたときには、第一バルブ３１によって、第一流通部１１と第二流通部１２における第三流通部１３側を接続させる。また、第二バルブ３２によって、第一排気流通部１６を閉じ、第二流通部１２と第三流通部１３とを接続させる。さらに、第三バルブ３３では、主に第五流通部１５と第二排気流通部１７とが接続するように、その開度を調整する。
【００２６】
このように、各バルブ３１〜３３の開度を調整することにより、エンジン２から排出された排気ガスは、図２に示すように、第一流通部１１、第二流通部１２、第三流通部１３、第四流通部１４、第五流通部１５の順番で流通し、第二排気流通部１７から排気ガス排出口に排出される。したがって、排気ガスは、高温用スタック２１、低温用スタック２２、および触媒の順番で流通する。
【００２７】
また、図３に示す第二流路が選択されたときには、制御装置３は、第一バルブ３１によって、第一流通部１１と第二流通部１２における第五流通部１５側を接続させる。また、第三バルブ３３によって第二排気流通部１７を閉じ、第二流通部１２と第五流通部１５とを接続させる。さらに、第二バルブ３２では、主に第三流通部１３と第一排気流通部１６とが接続するように、その開度を調整する。
【００２８】
このように各バルブ３１〜３３の開度を調整することにより、エンジン２から排出される排気ガスは、図３に示すように、第一流通部１１、第二流通部１２、第五流通部１５、第四流通路１４、および第三流通部１３の順番で流通し、第一排気流通部１６から排気ガス排出口に排出される。したがって、排気ガスは、触媒２３、低温用スタック２２、および高温用スタック２１の順で流通する。
【００２９】
制御装置３では、高温用スタック２１および低温用スタック２２から出力される熱交換量に基づいて、触媒２３に入る排気ガスの温度を計算する。そして、この排気ガスの温度が触媒活性温度以上であるか否かにより、図２に示す第一流路または図３に示す第二流路を選択して、バルブ３１〜３３を開閉制御する。
【００３０】
具体的に、第一流路を選択しても触媒２３に入る排気ガスの温度が触媒活性温度以上になると判断したときには、図２に示す第一流路を選択する。第一流路を選択すると、温度の高い排気ガスは、第三流通部１３に設けられた高温用スタック２１に流通する。高温用スタック２１では、温度の高い排気ガスから効率よく熱エネルギーを吸収することができる。
【００３１】
次に、排気ガスは、第四流通部１４に設けられた低温用スタック２２に流通する。低温用スタック２２を流通する排気ガスは、高温用スタック２１で熱エネルギーが回収されており、その温度が低下している。この低下した温度となることにより、低温用スタック２２によって効率よく熱エネルギーを回収することができる。
【００３２】
続いて、排気ガスは、第五流通部１５に設けられた触媒２３に流通する。排気ガスは、触媒２３を流通することにより、窒素酸化物等の物質が浄化される。このとき、排気ガスは触媒活性温度以上の温度であるので、触媒２３を触媒活性温度以上の温度に維持することができる。したがって、触媒２３の浄化性能を低下させないようにすることができる。
【００３３】
一方、第一流路を選択すると、触媒２３に入る排気ガスの温度が触媒活性温度未満となってしまうときには、図３に示す第二流路を選択する。第二流路を選択すると、排気ガスは第五流通部１５に設けられた触媒２３の方向に流れる。この排気ガスは、まだスタック２１，２２による熱回収が行われていないので、排気ガスの温度は、触媒活性温度より低い温度であっても、触媒活性温度に近い温度となっている。したがって、触媒の浄化作用を低下させないようにすることができる。
【００３４】
触媒２３を流通した排気ガスは、低温用スタック２２を流れる。ここで、排気ガス中にはいまだ熱エネルギーは残存しているので、低温用スタック２２ではこの熱エネルギーを回収することができる。また、排気ガス中に多くの熱エネルギーが残存して、排気ガスの温度が高い状態にあるときには、低温用スタック２２をＯＦＦにして、高温用スタック２１による熱エネルギーの回収を行うようにすることもできる。
【００３５】
続いて、エンジン回転数やスロットル開度を利用した制御について説明する。
【００３６】
エンジン回転数が高く、スロットル開度が大きい場合には、排気ガスの温度が高くなっている。このときには、通常、排気ガスの温度は触媒活性温度以上の温度となっているので、排気流路１０を図２に示す第一流路にして排気ガスを流通させる。
【００３７】
また、エンジン回転数が低下し、スロットル開度が小さくなってくると、排気ガスの温度が低下する。このときの状態に基づいて、排気流路１０における第一流路または第二流路の選択のほか、スタック２１，２２のＯＮ−ＯＦＦ制御も行う。このとき、触媒２３に入る排気ガスの温度が触媒活性温度以上を維持しながら、スタック２１，２２での熱回収効率を高めるためには、高温用スタック２１および低温用スタック２２のどちらか一方または両方で熱エネルギーを回収すれば、より多くの熱エネルギーを回収し、発電量を増やすことができるかを判定して制御を行う。
【００３８】
ここでの制御は、図４に示すマップを参照して行われる。図４に示すマップは、下記（１）式〜（３）式に基づいて求められる触媒に入る排気ガスの温度ＴＣＡＴ−ＩＮ−１〜ＴＣＡＴ−ＩＮ−３をしきい値とし、エンジン２の状態を４つの状態Ａ〜状態Ｄに規定している。
【００３９】
【数１】
2005090355.tif 000003
図４に示すように、（１）式で求められる曲線Ｃ１よりもエンジン回転数が高く、またはスロットル開度が大きい状態の場合には、エンジン２の状態が状態Ｄとなる。また、エンジン回転数またはスロットル開度が（１）式で求められる曲線Ｃ１以下であり、（２）式で求められる曲線Ｃ２よりもエンジン回転数が高く、またはスロットル開度が大きい状態の場合には、エンジン２の状態が状態Ｃとなる。
【００４０】
さらに、エンジン回転数またはスロットル開度が（２）式で求められる曲線Ｃ２以下であり、（３）式で求められる曲線Ｃ３よりもエンジン回転数が高く、またはスロットル開度が大きい状態の場合には、エンジン２の状態が状態Ｂとなる。そして、エンジン回転数またはスロットル開度が（３）式で求められる曲線Ｃ３以下である状態の場合には、エンジン２の状態が状態Ａとなる。
【００４１】
図示しない回転数センサおよびスロットル開度センサでは、それぞれエンジン回転数およびスロットル開度を検出しており、制御装置３に出力している。制御装置３では、それぞれ出力されたエンジン回転数およびスロットル開度を図４に示すマップにあてはめて、現在のエンジンの状態を判定する。
【００４２】
その結果、エンジン２の状態が状態Ａにあると判断したときには、排気ガスの温度が低く、触媒２３に入る排気ガスの温度が触媒活性温度ＴＣＡＴ以下となってしまうので、第二流路を選択し、触媒２３、低温用スタック２２、高温用スタック２１の順番で排気ガスを流通させる。こうして、触媒２３が触媒活性温度ＴＣＡＴを下回らないようにする。
このとき、触媒２３から排出される排気ガスからも、熱エネルギーの回収を行うことができるので、無駄に排気ガスに含まれるエネルギーを捨ててしまわないようにすることができる。
【００４３】
状態Ａのときには、両スタック２１，２２をＯＮにしておくことができるが、排気ガス中に含まれる熱エネルギーが小さすぎて、スタック２１，２２を駆動するポンプに消費する電力に見合った熱エネルギーの回収ができない場合などがある。このような場合には、低温用スタック２２のみをＯＮにしたり、高温用スタック２１のみをＯＮにしたりする態様とすることもできる。
【００４４】
また、エンジン２の状態が状態Ｂにあるときには、排気ガスの温度がある程度低く、高温用スタック２１を流通させると、触媒２３に入る排気ガスの温度が触媒活性温度ＴＣＡＴを下回ってしまう。これに対して、低温用スタック２２での熱エネルギーを回収しても触媒活性温度ＴＣＡＴを下回らない。
【００４５】
そこで、第一流路を選択し、高温用スタック２１はＯＦＦとし、低温用スタック２２のみをＯＮとする。このような制御状態とすることにより、排気ガスは、高温用スタック２１、低温用スタック２２、触媒２３の順番で流通するが、高温用スタック２１では熱回収が行われず、低温用スタック２２のみで熱回収が行われる。こうして、低温用スタック２２で効率よく熱エネルギーの回収を行いながらも、触媒２３に入る排気ガスの温度を触媒活性温度ＴＣＡＴ以上の温度に維持することができ、触媒の浄化性能を好適に維持することができる。
【００４６】
さらに、状態Ｃにあるときには、排気ガスの温度がある程度高く、高温用スタック２１を流通させても触媒２３に入る排気ガスの温度を触媒活性温度ＴＣＡＴ以上に維持することができる。ところが、低温用スタック２２にも排気ガスを通してしまうと、触媒２３に入る排気ガスの温度が触媒活性温度ＴＣＡＴを下回ってしまう。
【００４７】
この場合には、第一流路を選択し、高温用スタック２１をＯＮとし、低温用スタック２２をＯＦＦとする。このような制御状態とすることにより、状態Ｂと同様、排気ガスは高温用スタック２１、低温用スタック２２、触媒２３の順番で流通する。また、高温用スタック２１では熱回収が行われ、低温用スタック２２では熱回収が行われない。こうして、高温用スタックで効率よく熱回収を行いながらも、触媒２３に入る排気ガスの温度を触媒活性温度ＴＣＡＴ以上の温度に維持することができ、触媒の浄化性能を好適に維持することができる。
【００４８】
そして、状態Ｄにあるときには、排気ガスの温度が高く、両スタック２１，２２で奈津回収を行っても、触媒２３に入る排気ガスの温度を触媒活性温度ＴＣＡＴ以上の温度に維持することができる。
【００４９】
そこで、この場合には、第一流路を選択し、両スタック２１，２２をいずれもＯＮにする。このような制御状態では、上記状態Ｂ，Ｃと同様排気ガスは高温用スタック２１、低温用スタック２２、触媒２３の順番で流通し、両スタック２１，２２でそれぞれ熱回収が行われる。こうして、高温用スタックで効率よく熱回収を行いながらも、触媒２３に入る排気ガスの温度を触媒活性温度ＴＣＡＴ以上の温度に維持することができ、触媒の浄化性能を好適に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施形態に係る排熱回収装置の模式的構成図である。
【図２】第一流路となる排気流路の模式的構成図である。
【図３】第二流路となる排気流路の模式的構成図である。
【図４】エンジンの状態に応じた制御の判定を行うためのマップである。
【符号の説明】
【００５１】
１…排熱回収装置、２…エンジン、３…制御装置、１０…排気流路、１１…第一流通部、１２…第二流通部、１３…第三流通部、１４…第四流通部、１５…第五流通部、１６…第一排気流通部、１７…第二排気流通部、２１…高温用スタック、２２…低温用スタック、２３…触媒、３１…第一バルブ、３２…第二バルブ、３３…第三バルブ。
【図１】
2005090355.tif 000004
【図２】
2005090355.tif 000005
【図３】
2005090355.tif 000006
【図４】
2005090355.tif 000007