(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関（Ｅ）の排気系（１）に介裝される排気浄化用触媒コンバータ（５）に、共鳴管（６）の一端部に設けた音波発生部（７）のスタック（１１）を隣接配置し、このスタック（１１）が前記触媒コンバータ（５）からの受熱に起因して発生する音波を電気エネルギに変換するトランスジューサ（８）を前記共鳴管（６）の他端部に設け、このトランスジューサ（８）の出力を電気制御手段（１４）に供給するようにした、内燃機関の排気熱エネルギ回収装置であって、
前記排気系（１）に、前記触媒コンバータ（５）への排気導入量を制御する制御弁（２８）を設け、この制御弁（２８）を、前記トランスジューサ（８）の出力状態に応じて制御するようにしたことを特徴とする、内燃機関の排気熱エネルギ回収装置。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関の排気熱エネルギ回収装置において、
前記スタック（１１）が前記触媒コンバータ（５）からの受熱に起因して発生する音波によって冷却される冷凍部（３０）を前記共鳴管（６）の他端部に設けたことを特徴とする、内燃機関の排気熱エネルギ回収装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の内燃機関の排気熱エネルギ回収装置において、
前記触媒コンバータ（５）を、これが前記音波発生部（７）の高温部を囲繞するように配設したことを特徴とする、内燃機関の排気熱エネルギ回収装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の内燃機関の排気熱エネルギ回収装置において、
前記触媒コンバータ（５）を、その排気出口が前記音波発生部（７）の高温部に近接対向するように配置したことを特徴とする、内燃機関の排気熱エネルギ回収装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気熱エネルギを他の機器の駆動エネルギに有効利用するための排気熱エネルギ回収装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
かゝる内燃機関の排気熱エネルギ回収装置として、排気管内に熱交換器を配設し、この熱交換器から取出した高温流体で他の機器、例えば吸収式冷凍装置の高温部を作動するようにしたものが知られている（例えば特開平４−３３５９６０号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のように排気管に熱交換器を配設すると、それが排気抵抗となってしまい、エンジンの出力性能に悪影響を及ぼし、却ってエンジンの燃料消費量を増加させるという弊害を招く。
【０００４】
一方、近年の２輪、４輪の自動車では、そのエンジンの排気系に排気浄化用の触媒コンバータを備えているので、この触媒コンバータの周囲は、その浄化反応熱により極めて高温となるため、その熱害を回避する種々の防護手段が講じられているが、その高熱の有効利用が可能となれば、触媒コンバータの周囲温度を下げることができ、前記熱害防護手段の簡略化を図ることができるであろう。
【０００５】
本発明は、かゝる事情に鑑みてなされたもので、エンジンの排気系に介裝される排気浄化用触媒コンバータ周囲の高い熱エネルギを、排気抵抗の増加を招くことなく、他の機器の駆動エネルギに利用することを可能にする、内燃機関の排気熱エネルギ回収装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、内燃機関の排気系に介裝される排気浄化用触媒コンバータに、共鳴管の一端部に設けた音波発生部のスタックを隣接配置し、このスタックが前記触媒コンバータからの受熱に起因して発生する音波を電気エネルギに変換するトランスジューサを前記共鳴管の他端部に設け、このトランスジューサの出力を電気負荷に供給するようにした、内燃機関の排気熱エネルギ回収装置であって、前記排気系に、前記触媒コンバータへの排気導入量を制御する制御弁を設け、この制御弁を、前記トランスジューサの出力状態に応じて制御するようにしたことを第１の特徴とする。
【０００７】
この第１の特徴によれば、触媒コンバータが排ガスを浄化する際に発生する、排ガス自体より遙かに高温の反応熱により熱音響管現象を起こさせ、その現象を利用して、排気熱エネルギを電気エネルギとして回収し、電気負荷の駆動に有効利用することができる。しかも、排気系内には、共鳴管の一部たりとも突入させる必要がないから、排気抵抗の増加を招かず、内燃機関の出力性能の低下もなく、燃焼消費量を増加させることもない。さらに、音波発生部は、触媒コンバータの発生熱を奪うことにより、触媒コンバータの過熱を効果的に防ぐことができ、したがって触媒コンバータに隣接する内燃機関や車体等の隣接部に対する熱害防護手段を簡略化することが可能となる。
【０００８】
その上、制御手段が、トランスジューサの出力状態に応じて流量制御弁を制御し、触媒コンバータへの排気導入量の制御を行うので、トランスジューサ出力の安定化を図ると共に、音波発生部の過熱を防ぐことができる。
【０００９】
さらに本発明は、第１の特徴に加えて、前記スタックが前記触媒コンバータからの受熱に起因して発生する音波によって冷却される冷凍部を前記共鳴管の他端部に設けたことを第２の特徴とする。
【００１０】
この第２の特徴によれば、触媒コンバータが排ガスを浄化する際に発生する、排ガス自体より遙に高温の反応熱により熱音響管現象を起こさせ、その現象を利用して、排気熱エネルギを冷凍部の駆動エネルギとして回収することができる。
【００１１】
さらにまた本発明は、第１又は第２の特徴に加えて、前記触媒コンバータを、これが前記音波発生部の高温部を囲繞するように配設したことを第３の特徴とする。
【００１２】
この第３の特徴によれば、触媒コンバータの発生熱を音波発生部の高温部に効率よく伝達して、音波発生部の効果的な作動を確保することができる。
【００１３】
さらにまた本発明は、第１又は第２の特徴に加えて、前記触媒コンバータを、その排気出口が前記音波発生部の高温部に近接対向するように配置したことを第４の特徴とする。
【００１４】
この第４の特徴によれば、触媒コンバータの発生熱のみならず、触媒コンバータを出た高温の排ガスの熱をも音波発生部の高温部に伝達して、音波発生部をより効果的な作動を確保することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、添付図面に示す参考例及び本発明の実施例に基づいて説明する。
【００１６】
図１は第１参考例に係る内燃機関の排気熱エネルギ回収装置の縦断側面図、図２は第２参考例に係る同装置の縦断側面図、図３は第３参考例に係る同装置の縦断側面図、図４は第４参考例に係る同装置の縦断側面図、図５は第５参考例に係る同装置の縦断側面図、図６は本発明の第１実施例に係る同装置の縦断側面図、図７は本発明の第２実施例に係る同装置の縦断側面図である。
【００１７】
先ず、図１に示す第１参考例の説明より始める。
【００１８】
内燃機関Ｅの排気系１は、内燃機関Ｅの排気ポートに接続される前部排気管２と、この前部排気管２の下流端に形成された拡径部２ａの周壁に接続される後部排気管３と、この後部排気管３の下流側に接続されるマフラ４とを備える。
【００１９】
前記拡径部２ａの内周面には環状の排気浄化用触媒コンバータ５が装着され、この触媒コンバータ５の内周に、両端を閉塞した共鳴管６の前端部が嵌入され、その後端部は、触媒コンバータ５から充分に離れた位置まで延びている。この共鳴管６の前端部内には熱駆動式の音波発生部７が設けられ、同共鳴管６の後端部内には、音波発生部７で生じた音波を電気エネルギに変換するトランスジューサ８が設けられる。また共鳴管６内には、空気あるいはヘリウム等の希ガスが作動気体として封入される。
【００２０】
音波発生部７は、共鳴管６の前端部内で軸方向に対向して配置される高温熱交換器９及び低温熱交換器１０と、これら両熱交換器９，１０間に挟まれるように配置される高温スタック１１とから構成される。高温熱交換器９は、前記触媒コンバータ５に囲繞される箇所に配置され、低温熱交換器１０の位置に対応する共鳴管６の外周面には放熱フィン１２が突設される。スタック１１は、例えば多数のステレス鋼板を小間隙を置いて積層した蓄熱体で構成される。
【００２１】
一方、共鳴管６の後端部内に設けられるトランスジューサ８は、それが受ける音波を機械振動に変換し、次いで電気エネルギに変換するもので、具体的には、振動ピストンとリニア発電機の組合せユニットや、振動板とピエゾ変換素子の組合せユニットが使用可能である。このトランスジューサ８の出力は、制御手段１３を介してバッテリ、電気機器等の電気負荷１４に供給される。制御手段１３としては、電圧レギュレータやエネルギマネジメント等、既知のものが使用可能である。
【００２２】
次に、この第１参考例の作用について説明する。
【００２３】
内燃機関Ｅの運転中、それから前部排気管２に排出された排ガスは、触媒コンバータ５、後部排気管３、マフラ４を順次経て大気中に排出される。その間に、触媒コンバータ５では、それを通過する排ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等の有害成分を化学的に除去し、その際に発生する反応熱によって触媒コンバータ５が排ガス以上に高温となるが、その熱は、触媒コンバータ５に囲繞される高温熱交換器９を経て、スタック１１に伝達するので、スタックの一端部が高温に加熱される。一方、低温熱交換器１０では、外部の放熱フィン１２による大気への放熱により冷却されるので、スタック１１の他端部の冷却を促進する。その結果、スタック１１は、その両端間に大なる温度勾配が与えられ、それに起因する自励振動により音波を発生し、これが作動気体を介して共鳴管６内を往復する（このように熱音響現象は、例えば１９９３年春季低温工学・超電導学会発行の論文「Ｂ１−１７熱駆動型共鳴管冷凍機の性能」に記載されているように、既に知られていいる）。そしてこの音波の周波数と共鳴管６の共振数とが一致することにより、共鳴管６内に定在波ができ、それにより共鳴管６後端に位置するトランスジューサ８の振動部が加振され、その振動が前述のように電気エネルギに変換され、制御手段１３を介して電気負荷１４に出力される。
【００２４】
ところで、従来では、内燃機関の排ガス自体の温度は、熱音響現象を生じさせには低過ぎるとされてきたが、本発明は、触媒コンバータ５が排ガスを浄化する際に発生する反応熱が排ガス温度より遙かに高温となることに着目してなされたもので、その高温の反応熱により熱音響管現象を起こさせ、その現象を利用して、排気熱エネルギを電気エネルギとして回収することを可能にしたのである。
【００２５】
しかも、排気系１内には、共鳴管６の一部たりとも突入させる必要がないから、排気抵抗の増加を招かず、内燃機関Ｅの出力性能の低下もないので、燃焼消費量を増加させることもない。さらに、音波発生部７は、触媒コンバータ５の発生熱を奪うことにより、触媒コンバータ５の過熱を効果的に防ぐことができ、したがって触媒コンバータ５に隣接する内燃機関Ｅや車体等の隣接部に対する熱害防護手段を簡略化することが可能となる。
【００２６】
次に、図２に示す第２参考例について説明する。
【００２７】
この第２参考例では、前部排気管２の拡径部２ａに円柱状の触媒コンバータ５が装着されると共に、この触媒コンバータ５の前後に入口室１５及び出口室１６が形成され、その出口室１６に後部排気管３が接続される。共鳴管６の前端壁は、前記出口室１６を挟んで触媒コンバータ５の出口に対向するように配置される。この共鳴管６内では、音波発生部７の高温スタック１１が、共鳴管６の前端壁に密着するように配置され、前参考例のような高温熱交換器９を廃止している。
【００２８】
その他の構成は、前参考例と同様であるので、図２中、前参考例との対応部分には同一の参照符号を付して、その説明を省略する。
【００２９】
この第２参考例によれば、触媒コンバータ５を通過した直後の高温の排ガス自体の熱と、触媒コンバータ５からの放射熱とで音波発生部７のスタック１１を直接的に加熱することができ、該スタック１１への熱伝達効率が向上すると共に、高温熱交換器の廃止による構成の簡素化をもたらすことができる。
【００３０】
次に、図３に示す第３参考例について説明する。
【００３１】
この第３参考例は、後部排気管３に第２の触媒コンバータ５′を介裝した点を除けば、前記第２参考例と同様の構成であり、図３中、前記第２参考例との対応部分には同一の参照符号を付して、その説明を省略する。
【００３２】
この第３参考例によれば、触媒コンバータ５と第２の触媒コンバータ５′との直列配置により、排ガスを２段階にわたり浄化することができ、大排気量の内燃機関用として有効である。
【００３３】
次に、図４に示す第４参考例について説明する。
【００３４】
この第４参考例では、触媒コンバータ５を迂回するように、前部及び後部排気管２，３を相互に接続するバイパス排気管２０が設けられ、このバイパス排気管２０に第２の触媒コンバータ５′が介裝されると共に、前部排気管２及びバイパス排気管２０の接続部に切換弁２１が設けられる。
【００３５】
その他の構成は、前記第２参考例と同様であるので、図４中、前記第２参考例との対応部分には同一の参照符号を付して、その説明を省略する。
【００３６】
この第４参考例によれば、内燃機関Ｅの運転状態に応じて切換弁２１を切換えることにより、暖機運転時には、両触媒コンバータ５，５′の何れか一方に排ガスを流して、その活性化を早めたり、高出力運転時には、両方の触媒コンバータ５，５′に流しながら、それらの流量に差をつけて、各触媒コンバータ５，５′の浄化効率や負荷、音波発生部７の加熱度合い等のバランスを図る。こうすることによって、触媒コンバータ５，５′の適正な浄化機能及び耐久性と、音波発生部７の適正な作動状態とを確保することができる。
【００３７】
次に、図５に示す第５参考例について説明する。
【００３８】
この第５参考例は、バイパス排気管２０より下流の後部排気管３に第２の触媒コンバータ５′を介裝した点を除けば、前記第４参考例と同様の構成であり、図５中、前記第４参考例との対応部分には同一の参照符号を付して、その説明を省略する。
【００３９】
次に、図６に示す本発明の第１実施例について説明する。
【００４０】
この第１実施例では、共鳴管６の前端に、加熱室２６を形成する延長筒２５が連設され、その加熱室２６は隔壁６ａを挟んで音波発生部７の高温スタック１１と隣接する。延長筒２５は、内部に円柱状の触媒コンバータ５が装着されると共に、前部排気管２の拡径部２ａ内に配置されるもので、その前端壁には、前部排気管２からの排ガスの一部を加熱室２６に導入する排気導入管２７が設けられ、この排気導入管２７には、排気導入量を調節する流量制御弁２８が取り付けられる。この流量制御弁２８は、トランスジューサ８に接続した制御手段１３によって開閉制御される。
【００４１】
また拡径部２ａの内周には、延長筒２５を囲繞する環状の第２の触媒コンバータ５′が装着される。
【００４２】
後部排気管３は、延長筒２５には、触媒コンバータ５を通過した排ガスのための出口孔２９が設けられ、この出口孔２９と拡径部２ａの後端に後部排気管３が接続される。
【００４３】
その他の構成は、前記第１参考例（図１）の構成と同様であり、図６中、前記第１参考例との対応部分には同一の参照符号を付して、その説明を省略する。
【００４４】
この第１実施例によれば、音波発生部７のスタック１１は、加熱室２６内の触媒コンバータ５を通過した直後の高温の排ガス自体の熱と、触媒コンバータ５からの放射熱とで直接的に加熱される。しかも、加熱室２６への排気導入量を制御する流量制御弁２８は、トランスジューサ８の出力状態に応じて制御手段１３により制御されるので、トランスジューサ８の出力の安定化を図ると共に、音波発生部７の過熱を回避することができる。
【００４５】
最後に、図７に示す本発明の第２実施例について説明する。
【００４６】
この第２実施例では、共鳴管６の後端部に、冷凍部３０がトランスジューサ８と共に設けられる。冷凍部３０は、共鳴管６の後端部内で軸方向に対向して配置される低温熱交換器３１及び高温熱交換器３２と、これら両熱交換器３１，３２間に挟まれるように配置される低温スタック３３とから構成され、低温熱交換器３１は音波発生部７側に、高温熱交換器３２は共鳴管６の後端壁側にそれぞれ配置される。低温スタック３３は、音波発生部７の高温スタック１１と同様に、例えば多数のステレス鋼板を小間隙を置いて積層した蓄熱体で構成される。
【００４７】
低温熱交換器３１の位置に対応して共鳴管６の外周には、冷熱取出し室３４が設けられ、該室３４と、車両の適当な被冷却場所、例えば排気系１の周囲で熱害を受けそうな場所に設置される冷却パネル３５とが冷媒導管３６を介して連通され、その間を冷媒が循環するようになっている。
【００４８】
高温熱交換器３２の位置に対応する共鳴管６の外周面には放熱フィン３７が突設される。
【００４９】
その他の構成は前記第１実施例と同様であるので、図７中、第１実施例との対応部分には同一の参照符号を付して、その説明を省略する。
【００５０】
而して、音波発生部７において、高温スタック１１が、その一端を加熱室２６側から過熱されると共に、他端を低温熱交換器１０により冷却されることによって、大なる温度勾配を付与されると、それに起因して共鳴管６内に定在波ができることは、前記第１参考例の場合と同様である。共鳴管６内の作動気体には、上記定在波の疎密部に対応して圧縮部と膨張部が存在し、その圧縮部では断熱圧縮のために温度上昇を伴い、膨張部では断熱膨張のために温度降下を生ずる。その温度上昇部に音波発生部７の高温スタック１１が、温度降下部に冷凍部３０の低温スタック３３がそれぞれ位置し、音波が低温スタック３３から高温スタック１１へと熱の輸送を行う。その結果、冷凍部３０では、低温スタック３３が低温熱交換器３１から吸熱するので、低温熱交換器３１の冷熱が冷熱取出し室３４に取出され、導管３６を介し冷却パネル３５へと伝達して、それを冷却する。この冷却パネル３５は、図示例の場合、排気系１の所望箇所を冷却するので、その周囲に対する熱害を防ぐことができる。
【００５１】
本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、その要旨の範囲を逸脱することなく種々の設計変更が可能である。
【００５２】
【発明の効果】
以上のように本発明の第１の特徴によれば、内燃機関の排気系に介裝される排気浄化用触媒コンバータに、共鳴管の一端部に設けた音波発生部のスタックを隣接配置し、このスタックが前記触媒コンバータからの受熱に起因して発生する音波を電気エネルギに変換するトランスジューサを前記共鳴管の他端部に設け、このトランスジューサの出力を電気負荷に供給するようにしたので、触媒コンバータが排ガスを浄化する際に発生する高温の反応熱により熱音響管現象を起こさせ、その現象を利用して、排気熱エネルギを電気エネルギとして回収し、電気負荷の駆動に有効利用することができる。しかも、排気系内には、共鳴管の一部たりとも突入させる必要がないから、排気抵抗の増加を招かず、内燃機関の出力性能の低下もなく、燃焼消費量を増加させることもない。さらに、音波発生部は、触媒コンバータの発生熱を奪うことにより、触媒コンバータの過熱を効果的に防ぐことができ、したがって触媒コンバータに隣接する内燃機関や車体等の隣接部に対する熱害防護手段を簡略化することが可能となる。
【００５３】
その上、前記排気系に、前記触媒コンバータへの排気導入量を制御する制御弁を設け、この制御弁を、前記トランスジューサの出力状態に応じて制御するようにしたので、触媒コンバータへの排気導入量の自動制御により、トランスジューサ出力の安定化を図ると共に、音波発生部の過熱を防ぐことができる。
【００５４】
さらに本発明の第２特徴によれば、前記スタックが前記触媒コンバータからの受熱に起因して発生する音波によって冷却される冷凍部を前記共鳴管の他端部に設けたので、触媒コンバータが排ガスを浄化する際に発生する高温の反応熱により熱音響管現象を起こさせ、その現象を利用して、排気熱エネルギを冷凍部の駆動エネルギとして回収することができる。
【００５５】
さらにまた本発明の第３の特徴によれば、前記触媒コンバータを、これが前記音波発生部の高温部を囲繞するように配設したので、触媒コンバータの発生熱を音波発生部の高温部に効率よく伝達して、音波発生部の効果的な作動を確保することができる。
【００５６】
さらにまた本発明の第４の特徴によれば、前記触媒コンバータを、その排気出口が前記音波発生部の高温部に近接対向するように配置したので、触媒コンバータの発生熱のみならず、触媒コンバータを出た高温の排ガスの熱をも音波発生部の高温部に伝達して、音波発生部をより効果的な作動を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１参考例に係る内燃機関の排気熱エネルギ回収装置の縦断側面図。
【図２】  第２参考例に係る同装置の縦断側面図。
【図３】  第３参考例に係る同装置の縦断側面図。
【図４】  第４参考例に係る同装置の縦断側面図。
【図５】  第５参考例に係る同装置の縦断側面図。
【図６】  本発明の第１実施例に係る同装置の縦断側面図。
【図７】  本発明の第２実施例に係る同装置の縦断側面図。
【符号の説明】
Ｅ・・・・・・内燃機関
１・・・・・・排気系
５・・・・・・触媒コンバータ
６・・・・・・共鳴管
７・・・・・・音波発生部
８・・・・・・トランスジューサ
１１・・・・・音波発生部のスタック
１４・・・・・電気負荷
２８・・・・・制御弁
３０・・・・・冷凍部
【図１】
0004441091.tif 000002
【図２】
0004441091.tif 000003
【図３】
0004441091.tif 000004
【図４】
0004441091.tif 000005
【図５】
0004441091.tif 000006
【図６】
0004441091.tif 000007
【図７】
0004441091.tif 000008