(57)【要約】内燃機関からの排気ガスを流す排気通路２５と、排気ガスを触媒により浄化する排気浄化手段（三元触媒部）２７と、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換手段（熱電変換モジュール）３０，・・・とを備える排気システム２であって、排気浄化手段２７を迂回して排気ガスを流すバイパス通路２６，２６を備え、中央部に排気通路２５を配置し、排気通路２５内に排気浄化手段２７を設け、排気通路２５の外側にバイパス通路２６，２６を配置し、バイパス通路２６，２６の外側に熱電変換手段３０，・・・を設けることを特徴とする。
2006512535.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関からの排気ガスを流す排気通路と、排気ガスを触媒により浄化する第一排気浄化手段と、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電素子を備える第一排熱回収手段とを備え、
内燃機関からの排気通路は、第一排気浄化手段のみを経由する第一通路と、熱電素子を備える第一排熱回収手段を備えた経路を経由する第二通路とに分岐し、制御部材によって該第一通路と第二通路とを切り替えることを特徴とする排気システム。
【請求項２】
前記第一通路と前記第二通路とが統合された排気通路上に第二排気浄化手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載する排気システム。
【請求項３】
前記制御部材は、前記第一排気浄化手段あるいは前記第二排気浄化手段の温度に基づき切り替えを行うことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載する排気システム。
【請求項４】
前記第一排気浄化手段あるいは前記第二排気浄化手段の温度が所定温度を超えるとき、前記制御部材を操作することで、排気ガスが前記第二通路を通るようにすることを特徴とする請求項３に記載する排気システム。
【請求項５】
前記所定温度が前記第一排気浄化手段あるいは前記第二排気浄化手段の触媒活性化温度に基づき決定されることを特徴とする請求項４に記載する排気システム。
【請求項６】
前記第二排気浄化手段の下流側に、熱電素子を備える第二排熱回収手段を備えることを特徴とする請求項２に記載する排気システム。
【請求項７】
前記第一通路と前記第二通路は、一つの構造体として構成されており、該第一通路は構造体の中央部に位置し、該第二通路は第一通路の外周側に設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載する排気システム。
【請求項８】
前記第二通路には、前記第一排熱回収手段への熱伝達をするための熱交換手段を備え、熱交換手段に排気ガスを浄化するための触媒を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載する排気システム。
【請求項９】
前記触媒を、前記熱交換手段に担持させたことを特徴とする請求項８に記載する排気システム。
【請求項１０】
前記第１通路と前記第２通路が構成される構造体は、内燃機関の排気マニホールドの近傍に設けられていることを特徴とする請求項７に記載する排気システム。
【請求項１１】
前記制御部材は、内燃機関からの排気通路から、前記第一通路と前記第二通路に流入する排気ガスの比率を変更することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載する排気システム。
【請求項１２】
前記制御部材は、前記第一通路あるいは前記第二通路を開閉させるよう所定開度で開閉される弁であることを特徴とする請求項１６に記載する排気システム。
【発明の詳細な説明】
【発明の背景】
【０００１】
１．発明の分野
本発明は、排気ガスを触媒により浄化するとともに排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する排気システムに関する。
【０００２】
２．関連技術の説明
エンジンから排出される排気ガスは、有害物質（一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物等）を含んでいる。そのため、排気系には三元触媒等の排気浄化触媒が設けられ、この触媒によって排気ガスを浄化している。このような触媒は、活性温度（例えば、350℃〜800℃）を有し、触媒温度が活性温度内の場合に浄化作用がある。
【０００３】
また、排気ガスは、多量の熱エネルギを含んでおり、高温である。この熱エネルギは、その一部が排気浄化触媒の触媒温度を活性温度まで上昇させるために利用されるが、その以外は殆どが回収されることなく放散される。そこで、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換することによって、排気ガスの熱エネルギを回収する排熱発電装置が開発されている。
【０００４】
排熱発電装置では、排気ガスが流れる排気管（高温側）と冷却部（低温側）との間に熱電変換モジュールを配置し、この高温側と低温側との温度差に応じて熱電変換モジュールの各熱電素子で発電している（特許文献１：特開平１０−２３４１９４号公報）。この排熱発電装置における熱電変換効率を向上させるためには、高温側の温度を上げるとともに、高温側と低温側との温度差を大きくする必要がある。そこで、排熱発電装置には、排気通路内に触媒を充填し、その触媒によって排気ガスを浄化するとともに触媒の反応熱によって排気温度（ひいては、熱電変換モジュールの高温側の温度）を高めるものもある（特許文献２：特開２０００−３５２３１３号公報）。
【０００５】
従来の排気システムでは、エンジンの始動時等の触媒温度が低温時には触媒温度を迅速に上昇させる必要があるので、排気浄化触媒をエキゾーストマニホールドの直下等の排気系において排気ガスが高温の（すなわち、排気ガスに含まれる熱エネルギが多い）場所に配置し、排熱発電装置をその下流側に（例えば、サブマフラの位置に）配置していた。しかしながら、下流側では、排気浄化触媒での温度上昇に利用され、あるいは排気通路内を流れている時に放散するので、熱エネルギが減少し、排気温度も低くなっている。そのため、排熱発電装置では、熱電変換効率が低下し、熱エネルギの回収効率も低い。
【０００６】
また、エンジンの高負荷時（高回転時）には、エキゾーストマニホールドの直下では排気温度が高温なので、排気浄化触媒の触媒温度も非常に高温になる。触媒温度が活性温度を超えると、浄化作用が低下し、触媒が熱劣化する。そこで、従来の排気システムでは、触媒温度が高温になった場合にはエンジンをリッチ運転にして排気温度を低下させ、触媒温度を低下させていた。そのため、燃料の供給量が増加し、燃費が悪化していた。
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、燃費が良くかつ触媒の劣化を防止する排気システムを提供することを課題とする。
【０００８】
本発明の第１の態様である排気システムは、排気ガスを浄化するための第一排気浄化手段と、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換して熱エネルギを回収するための第一排熱回収手段とを備えている。また、排気システムは、第一排気浄化手段のみを経由する第一通路の他に、第一排気浄化手段を迂回して排気ガスを流すための第二通路を有している。排気システムでは、第一通路内に第一排気浄化手段を設け、第一排気浄化手段により第一通路内を流れる排気ガスを浄化する。さらに、この排気システムは、第一通路と第二通路を切り替える制御部材を備えており、この制御部材によって第一通路と第二通路とを切り替えることができる。この排気システムでは、例えば、触媒温度が高温になった場合には第二通路に排気ガスを流すことによって、高温の排気ガスによる触媒の温度上昇を回避することができる。そのため、触媒の熱劣化を防止できる。また、エンジンにおけるリッチ運転によって排気温度を低下させることによって触媒の温度上昇を抑える必要がなく、さらに、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギとして回収できるので、燃費が向上する。
【０００９】
本発明の上記排気システムでは、第一通路と第二通路とが統合された排気通路上に第二浄化手段が備えられてもよい。この排気システムでは、第二浄化手段で排気ガスを浄化できる場合、制御部材によって第二通路に排気ガスを優先的に流す。このように、排気システムでは、第二浄化手段で排気ガスを浄化できる場合には、第一排熱回収手段によって排気ガスの熱エネルギを積極的に回収する。そのため、燃費が更に向上する。
【００１０】
本発明の上記排気システムでは、制御部材は、第一排気浄化手段あるいは第二浄化手段の温度に基づき切り替えを行う。制御部材は、第一排気浄化手段あるいは第二排気浄化手段の温度が所定温度を超えるとき、排気が第二通路を通るよう操作される。所定温度は、第一浄化排気手段あるいは第二排気浄化手段の触媒活性化温度に基づき決定される。
【００１１】
この排気システムでは、第一排気浄化手段あるいは第二排気浄化手段の温度に応じて、制御部材を切り換える。例えば、第一排気浄化手段の触媒温度が低温の場合、触媒温度を早期に活性化させるために、第二通路のガス量を低減させて第一通路を流れるガス量を増加させ、第一排気浄化手段における触媒温度の上昇に排気ガスの熱エネルギを優先的に利用する。また、第一排気浄化手段の触媒温度が高温の場合、触媒温度を低下させるために、第二通路のガス量を増加させて第一通路を流れるガス量を低減させ、第一排気浄化手段で排気ガスの熱エネルギを触媒の温度上昇に利用するよりも第一排熱回収手段によって排気ガスの熱エネルギを優先的に回収する。そのため、高温の排気ガスによる触媒の温度上昇を回避することができ、触媒の熱劣化を防止できる。また、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギとして有効に利用することができる。また、第二排気浄化手段の触媒温度に応じて制御部材を切り替えることにより、例えば、第二排気浄化手段の触媒温度が活性温度に達した場合、第二排気浄化手段で排気ガスを浄化できるので、第二通路のガス量を増大させて第一通路を流れるガス量を低減させ、第一排熱回収手段によって排気ガスの熱エネルギを優先的に回収する。
【００１２】
本発明の上記排気システムは、第二通路に第一排熱回収手段への熱伝達をするための熱交換手段を備え、熱交換手段に排気ガスを浄化するための触媒が設けられている。
【００１３】
この排気システムは、排気ガスの熱エネルギを第一排熱回収手段の高温側に伝導する熱交換手段を備えている。さらに、その熱交換手段に触媒を設け、その触媒によって第二通路を流れる排気ガスを浄化する。このように、排気システムでは、第二通路においても排気ガスを浄化することができるとともに、排気ガスの熱エネルギの他に触媒の反応熱を熱交換手段で吸収し、第一排熱回収手段における熱エネルギの回収量を増加させることができる。
【００１４】
本発明の上記排気システムにおいて、第一通路と第二通路は、一つの構造体として構成されており、該第一通路は構造体の中央部に位置し、該第二通路は第一通路の外周側に設けられていることを特徴とする。
【００１５】
この排気システムでは、中央部に配した第一通路の外側に第二通路を配置し、その第二通路の外側に第一排熱回収手段を設け、第一排熱回収手段により第二通路を流れる排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する。この排気システムでは、第一通路を中央部に配したので、第一通路を流れる排気ガスが高温であり（排気ガスに含まれる熱エネルギが多く）、触媒温度を迅速に上昇させることができる。
【００１６】
本発明の上記排気システムにおいて、構造体は、内燃機関の排気マニホールドの近傍に設けられている。
【００１７】
なお、排気マニホールドの近傍は、排気系において排気マニホールドから排出される排気ガスの熱エネルギが全くあるいは殆ど低減しない領域であり（排気温度が高い排気マニホールドの下流側で近い位置であり）、排気マニボールドに近ければ近いほどよく、排気マニホールド内に構成することができる場合には排気マニホールド内でもよい。
【００１８】
本発明の上記排気システムにおいて、制御部材は、内燃機関からの排気通路から、第一通路と第二通路に流入する排気ガスの比率を変更する。この排気システムでは、第二通路を流れる排気ガスのガス量を調整する。
【００１９】
本発明の上記排気システムは、下流側排気浄化手段（第二排気浄化手段）の下流側に、熱電素子を備える第二排熱回収手段（熱電変換手段）を備える。
【００２０】
この排気システムでは、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギとして回収する効率を向上させるために、第二排熱回収手段が設けられている。これにより、第一排熱回収手段で回収できなかった排気ガスの熱エネルギを更に電気エネルギとして回収することができ、燃費が向上する。また、排気温度が更に低下するため、エンジンの出力もアップする。
【００２１】
本発明の上記排気システムは、熱交換手段に触媒を担持させている。
【００２２】
この排気システムでは、熱交換手段の熱交換フィンを配置させ、その熱交換フィンに触媒を担持させ、その触媒によって第二通路を流れる排気ガスを浄化する。このように、排気システムでは、第二通路においても排気ガスを浄化することができるとともに、排気ガスの熱エネルギの他に触媒の反応熱を熱交換フィンで吸収し、第一排熱回収手段における熱エネルギの回収量を増加させることができる。
【００２３】
本発明の上記排気システムにおいて、制御部材は、第一通路あるいは第二通路を開閉されるように所定開度で開閉される弁である。
【００２４】
この排気システムでは、制御部材として所定開度で開閉させる弁を用いることにより第一通路および第二通路に流れるガス量の比率を細かく制御することが可能である。依依田
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１の実施の形態に係る排気システムの全体構成図である。
【図２】図1の上流側触媒装置の一部を分解した斜視図である。
【図３】図1の上流側触媒装置の側面図である。
【図４】図３の側面図におけるIV−IV線に沿った断面図である。
【図５】図４のバイパス通路の排出開口部付近の拡大図である。
【図６】図３の側面図におけるVI−VI線に沿った断面図である。
【図７】第２の実施の形態に係る排気システムの全体構成図である。
【図８】図７の排熱発電装置の斜視図である。
【図９】図７の排熱発電装置の正面図である。
【図１０】図９の正面図におけるX−X線に沿った断面図である。
【図１１】図9の正面図におけるXI−XI線に沿った断面図である。
【実施形態の詳細な説明】
【００２６】
以下、図面を参照して、本発明に係る排気システムの実施の形態を説明する。
【００２７】
本実施の形態では、本発明に係る排気システムを、自動車に搭載され、エンジンからの排気ガスを浄化するとともに排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する排気システムに適用する。本実施の形態に係る排気システムは、エキゾーストマニホールドの直下及びそれより下流側に２つの触媒装置を備え、上流側の触媒装置に排熱発電ユニットを有している。本実施の形態には、排熱発電ユニットの他に排熱発電装置を備えるか否かにより２つの実施の形態があり、第１の実施の形態が排熱発電装置を備えない場合であり、第２の実施の形態が排熱発電装置を備える場合である。
【００２８】
図１を参照して、第１の実施の形態に係る排気システム１の構成について説明する。図１は、第１の実施の形態に係る排気システムの全体構成図である。
【００２９】
排気システム１は、自動車Ｍに搭載され、４気筒のエンジン（図示せず）のエキゾーストマニホールドＥＭの下流の排気系に構成される。排気システム１は、主なものとして、第１排気浄化手段及び、第１排熱回収手段としての熱電変換手段を有する上流側触媒装置２、下流側排気浄化手段（第２排気浄化手段）としての下流側触媒装置3、サブマフラ４、メインマフラ５を備えている。各気筒から排出された排気ガスは、エキゾーストマニホールドＥＭで合流される。エキゾーストマニホールドＥＭの直下には、上流側触媒装置２が配設される。上流側触媒装置２には、ボールジョイント機構部（図示せず）を介して排気管６ａが接続され、その排気管６ａの下流端には下流側触媒装置３が配設される。下流側触媒装置３には、排気管６ｂが接続され、その排気管６ｂの下流端にはサブマフラ４が配設される。さらに、サブマフラ４には、排気管６ｃが接続され、その排気管６ｃの下流端にはボールジョイント機構部（図示せず）を介してメインマフラ５が配設される。メインマフラ５の下流側には、テールパイプ（図示せず）が配設される。
【００３０】
上流側触媒装置２は、装置の中央部に、第１通路としての排気通路を有し、その排気通路の両側に、第２通路としてのバイパス通路を各々有している。上流側触媒装置２では、排気通路内に三元触媒を設け、この三元触媒により一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物を浄化する。上流側触媒装置２では、エキゾーストマニホールドＥＭからの高温の（熱エネルギが多い）排気ガスが導入され、エンジン始動時等の低温時に（具体的には、下流側触媒装置３の三元触媒が活性温度に達して排気ガスを浄化できるようになるまで）排気ガスを浄化する。また、上流側触媒装置２は、排気通路の両側部に排熱発電ユニットを各々備え、各排熱発電ユニットによりバイパス通路を流れる排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換し、その電気エネルギをDC／DCコンバータ（図示せず）等を介してバッテリ（図示せず）に充電する。上流側触媒装置２では、排気通路の三元触媒で排気ガスを浄化する必要がなくなった場合に（具体的には、下流側触媒装置３の三元触媒が活性温度に達して排気ガスを浄化できるようになった以降に）排熱による発電を行う。上流側触媒装置２の構成については後で詳細に説明する。
【００３１】
下流側触媒装置３は、装置内に三元触媒が詰め込まれており、この三元触媒により一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物を浄化する。下流側触媒装置３では、上流側触媒装置２より低温の（熱エネルギが少ない）排気ガスが導入されるので、エンジン高負荷等の高温時に（具体的には、下流側触媒装置３の三元触媒が活性温度に達して排気ガスを浄化できるようになった以降に）排気ガスを浄化する。
【００３２】
なお、上流側触媒装置２の三元触媒と下流側触媒装置３の三元触媒とは、同じ三元触媒である。ちなみに、上流側触媒装置２では、高温の排気ガスの影響により三元触媒が熱劣化する可能性があるので、下流側触媒装置３より多くの三元触媒が詰め込まれている。この三元触媒は、各種金属や金属酸化物をペレット状にしたものであり、活性温度（例えば、３５０℃〜８００℃）を有する。三元触媒は、触媒温度がこの活性温度内の場合に触媒作用を発揮する。上流側触媒装置２及び下流側触媒装置３では、熱電対により三元触媒の温度を検出しており、その検出した触媒温度を示す温度信号ＵＳ，ＤＳをエンジンＥＣＵ［Electronic Control Unit］７に送信している。
【００３３】
サブマフラ４は、メインマフラ５での消音を補助する消音器であり、メインマフラ５より消音効果が小さく、小型である。サブマフラ４では、メインマフラ５の上流側で、排気ガスが有している音響のエネルギを低減する。なお、排気システム１では上流側触媒装置２及び下流側触媒装置３の作用により従来よりも排気音が小さいので、サブマフラ４が無くてもよい。
【００３４】
メインマフラ５は、メインの消音器であり、サブマフラ４より消音効果が大きく、大型である。メインマフラ５では、サブマフラ４の下流側で、サブマフラ４である程度低減された排気ガスの音響のエネルギを更に低減する。
【００３５】
エンジンＥＣＵ７は、ＣＰＵ［Central Processing Unit］、ＲＯＭ［Read Only Memory］、ＲＡＭ［Random Access Memory］等からなる電子制御ユニットである。エンジンＥＣＵ７は、各種センサが接続され、各種センサからの検出値に基づいて各種制御値等を設定し、エンジン及びエンジンに関する各部を制御する。さらに、エンジンＥＣＵ７は、排気システム１の上流側触媒装置２の排気通路とバイパス通路とを流れる排気ガスのガス量も制御する。
【００３６】
図２〜図６を参照して、上流側触媒装置２の構成について説明する。図２は、上流側触媒装置の一部を分解した斜視図である。図３は、図１の上流側触媒装置の側面図である。図４は、図３の側面図におけるIV-IV線に沿った断面図である。図５は、図４のバイパス通路の排出開口部付近の拡大図である。図６は、図３の側面図におけるVI−VI線に沿った断面図である。
【００３７】
上流側触媒装置２は、その上流端の排気導入口２０がエキゾーストマニホールドＥＭの下流端の排出口ＥＭａとボルト（図示せず）によって締結される。排気導入口２０は排出口ＥＭａと同径であり、その下流端にはテーパ管２１が接続されている。テーパ管２１は、下流ほど細径であり、その下流端には装置本体２２が接続されている。装置本体２２の下流端には、テーパ管２３が接続されている。テーパ管２３は、下流ほど太径であり、その下流端には排出口２４が接続されている。排出口２４は、その下流端にはボルト（図示せず）によってボールジョイント機構が締結されている。
【００３８】
装置本体２２は、上流から下流に延びる筒状であり、中央に１本の排気通路２５と排気通路２５の両側にバイパス通路２６，２６とを有している（図４，図６参照）。装置本体２２の外周部には、側壁２２ａ，２２ａ及び外壁２２ｂ，２２ｂを有し、４つの壁によって外形状を形成している（図６参照）。装置本体２２の内部には、外壁２２ｂ，２２ｂに平行して所定の間隔をおいて内壁２２ｃ，２２ｃを有している（図６参照）。排気通路２５は、側壁２２ａ，２２ａ及び内壁２２ｃ，２２ｃによって形成され、断面視して略長方形状であり、テーパ管２１とテープ管２３との間に延びる。各バイパス通路２６は、側壁２２ａ，２２ａ、外壁２２ｂ、内壁２２ｃ及び２個の熱交換部材２９，２９によって形成され、断面視して略長方形状であり、排気通路２５の外側部に配置される。
【００３９】
外壁２２ｂには、長手方向に沿って２個の熱交換部材２９，２９が取り付けられるので、その取り付け位置には２つの開口部２２ｄ，２２ｄが形成されている（図２参照）。開口部２２ｄは、略長方形状であり、熱交換部材２９の熱交換フィン２９ｂが挿入される（図２、図６参照）。また、外壁２２ｂには、熱交換部材２９を取り付けた際にその基台２９ａを係止するために、開口部２２ｄの両外側にフランジ部２２ｅ，２２ｅを有している（図２、図６参照）。さらに、外壁２２ｂには、開口部２２ｄの外周に熱交換部材２９及び冷却部３１をボルト３５，・・・で締結して取り付けるために、ボルト穴２２ｆ，・・・が形成されている（図２参照）。ボルト穴２２ｆには、ネスねじが切られている。
【００４０】
内壁２２ｃには、最上流部に導入開口部２２ｇが形成されるとともに最下流部に排出開口部２２ｉが形成され、排気通路２５とバイパス通路２６とを繋げている（図４参照）。したがって、バイパス通路２６は、排気通路２５の最上流部から排気ガスが導入されるとともに排気通路２５の最下流部に排気ガスを排出する。また、内壁２２ｃの内面側には、排出開口部２２ｉを開閉するために、開閉扉２２ｊが設けられている（図４、図５参照）。開閉扉２２ｊは、閉じた場合には排出開口部２２ｉを完全に覆う大きさを有し、その上流側の一端が軸２２ｋによって回転自在に固定されている。開閉扉２２ｊは、バイパス通路２６に流れる排気ガスのガス圧によって開き、排気通路２５に流れる排気ガスのガス圧によって閉じる。したがって、開閉扉２２ｊは、バイパス通路２６におけるガス圧（ガス流量）と排気通路２５のガス圧（ガス流量）によって開度が決まる。
【００４１】
排気通路２５の導入開口部２２ｇ，２２ｇと排出開口部２２ｉ，２２ｉとの間には、ペレット状の三元触媒が詰め込まれ、第１排気浄化手段としての三元触媒部２７が設けられる。また、排気通路２５には、三元触媒部２７と排出開口部２２ｉ，２２ｉとの間に開閉弁２２ｍが設けられている（図4参照）。開閉弁２２ｍは、排気通路２５を完全に塞ぐ大きさ（排気通路２５の断面に相当する大きさ）を有し、その中央部が軸２２ｎによって回転自在に固定されている。この軸２２ｎは、アクチュエータ（図示せず）によって回転する。このアクチュエータは、エンジンＥＣＵ７からの回転駆動信号ＲＳに応じて駆動し（図１参照）、軸２２ｎ（ひいては、開閉弁２２ｍ）を回転させる。開閉弁２２ｍは、その開度がエンジンＥＣＵ７によって制御され、内壁２２ｃ，２２ｃに対して垂直な場合（排気通路２５を完全に塞ぐ場合）が全閉状態であり、内壁２２ｃ，２２ｃに平行な場合（排気通路２５を完全に通じる場合）が全開状態である。この開閉弁２２ｍ、軸２２ｎ、アクチュエータ及び開閉扉２２ｊ、軸２２ｋによって、制御部材としての開閉手段を構成している。
【００４２】
なお、エンジンＥＣＵ７では、上流側触媒装置２からの温度信号ＵＳと下流側触媒装置３からの温度信号ＤＳを受信し、開閉弁２２ｍを回転するためのアクチュエータに対して回転駆動信号ＲＳを送信している（図１参照）。エンジンＥＣＵ７では、上流側触媒装置２の触媒温度が上流側下限温度（三元触媒の活性温度の下限値：例えば、３５０℃）未満の場合及び上流側触媒装置２の触媒温度が上流側下限温度以上かつ下流側触媒装置３の触媒温度が下流側下限温度（三元触媒の活性温度の下限値：例えば、３５０℃）未満の場合、開閉弁２２ｍを全開にするための回転駆動信号ＲＳを送信する。この場合、開閉弁２２ｍが全開して排気通路２５が通じ、排気通路２５には排気ガスが流れる。この排気ガスのガス圧によって開閉扉２２ｊが全閉してバイパス通路２６，２６が閉じ、バイパス通路２６，２６には排気ガスが流れない。また、エンジンＥＣＵ７では、下流側触媒装置３の触媒温度が下流側下限温度以上の場合、開閉弁２２ｍを全閉にするための回転駆動信号ＲＳを送信する。この場合、開閉弁２２ｍが全閉して排気通路２５が閉じ、排気通路２５には排気ガスが流れない。そのため、バイパス通路２６に流れ込む排気ガスのガス圧によって開閉扉２２ｊが全開してバイパス通路２６，２６が通じ、バイパス通路２６，２６には排気ガスが流れる。ちなみに、エンジンＥＣＵ７において、上流側触媒装置２の触媒温度が上流側上限温度（三元触媒の活性温度の上限値：例えば、８００℃）より高くなった場合、開閉弁２２ｍを全閉にする回転駆動信号ＲＳを送信するようにしてもよい。
【００４３】
装置本体２２の４つの開口部２２ｄ，２２ｄ，２２ｄ，２２ｄには、排熱発電ユニット２８，２８，２８，２８が各々構成される。排熱発電ユニット２８は、熱電変換モジュール３０単位に構成され、熱電変換モジュール３０の大きさを基準としてユニットを構成する各部が構成されている。排熱発電ユニット２８では、熱電変換モジュール３０に対して低温側及び高温側から適切な圧力（例えば、１７ｋｇ／ｃｍ２）を加え、熱電変換モジュール３０の熱電変換効率を上げている。排熱発電ユニット２８は、熱交換部材２９、熱電変換手段としての熱電変換モジュール２０、冷却部３１を備えている。
【００４４】
熱交換部材２９は、主に、基台２９ａ及び熱交換フィン部２９ｂからなる（図６参照）。基台２９ａは、肉厚の板状である。基台２９ａの一面は、熱電変換モジュール３０の高温端面と密着するために、水平面となっている。基台２９ａの外周部は、熱交換部材２９を装置本体２２に取り付けた際にその外壁２２ｂ（フランジ部２２ｅ）に係止し、装置本体２２に取り付けられた際にボルト３５，・・・で締結するために、ボルト孔２９ｃ，・・・が形成されている（図２参照）。基台２９ａの他面には、熱交換フィン部２９ｂが設けられている。熱交換フィン部２９ｂの各フィンの高さは、熱交換部材２９が装置本体２２に取り付けられた場合に内壁２２ｃに接しない程度に沿うような高さである（図４参照）。熱交換部材２９では、熱交換フィン部２９ｂによって表面積を大きくすることによって、排気ガスとの接触面積を大きくし、排気ガスの熱エネルギの吸収量を多くしている。ちなみに、熱交換部材２９，２９，２９，２９が装置本体２２の開口部２２ｄ，２２ｄ，２２ｄ，２２ｄに各々嵌め込まれ、冷却部３１，３１，３１，３１と共にボルト３５，・・・によって締結され（図２参照）、バイパス通路２６，２６を形成する（図４参照）。
【００４５】
なお、熱交換部材２９では、三元触媒部２７のペレット状の三元触媒と同じペレット状の三元触媒を熱交換フィン部２９ｂの各フィンの表面に焼き付けて担持させるように構成してもよい。このように構成することによって、バイパス通路２６に排気ガスが流れた場合、その排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する他に、その排気ガスを浄化することができる。この際、三元触媒によって反応熱が発生するので、熱交換フィン部２９ｂでは排気ガスの熱エネルギの他にその反応熱による熱エネルギも吸収することができる。したがって、排熱発電ユニット２８における熱電交換効率が向上する。
【００４６】
熱電変換モジュール３０は、複数の熱電素子（例えば、Ｂｉ２Ｔｅ３等からなるｐ型とｎ型の２種類の半導体）（図示せず）を備えており、これらの熱電素子を電気的には直列にかつ熱的には並列に配置している。また、熱電変換モジュール３０は、小面積の略正方形状であり、平行かつ水平な高温端面と低温端面を有している。熱電変換モジュール３０では、両端面間の温度差に応じてゼーベック効果により熱エネルギを電気エネルギに変換し、その電気エネルギを２つの電極（図示せず）から出力する。
【００４７】
冷却部３１は、熱電変換モジュール３０の低温端面に対して適切な圧力を加えて固定し、水冷式によりその低温端面を冷却する。そのために、冷却部３１は、冷却蓋３２、冷却本体３３及び冷却水管３４，３４を備えている。
【００４８】
冷却蓋３２は、冷却本体３３の蓋である。冷却蓋３３は、冷却本体３３と同寸法で肉厚の板部３２ａを有している（図３、図３参照）。板部３２ａの両側には、冷却水管３４，３４を設置するために、設置部３２ｂ，３２ｂが設けられている（図２、図３参照）。設置部３２ｂ，３２ｂには、冷却水管３４，３４が嵌る取付孔３２ｃ，３２ｃが形成され、取付孔３２ｃ，３２ｃの下部の側部に繋がる冷却水孔３２ｄ，３２ｄが形成されている（図４参照）。冷却水孔３２ｄ，３２ｄは、冷却蓋３２の底面まで貫通し、冷却本体３３の冷却部３３ａに繋がる。また、板部３２ａの四隅には、冷却本体３３及び熱交換部材２９並びに装置本体２２に取り付けられた際にボルト３５，・・・で締結するために（図２参照）、ボルト孔（図示せず）が形成されている。
【００４９】
冷却本体３３は、冷却部３２を蓋とする箱である。冷却本体３３は、熱電変換モジュール３０より若干大きい寸法を有する肉厚の箱形状であり、その箱の凹部が冷却水が流れる冷却部３３ａとなる（図６参照）。冷却部３３ａには、冷却水を冷やすために、冷却フィン部３３ｂが設けられている。冷却フィン部３３ｂの各フィンは、全て同じ高さを有し、冷却本体３３に冷却蓋３２が取り付けられた場合に冷却蓋３２の底面に接する程度の高さである。冷却本体３３の底面は、熱電変換モジュール３０の低温端面と密着するために、水平面となっている。また、冷却本体３３の四隅には、冷却蓋３２及び熱交換部材２９並びに装置本体２２に取り付けられた際にボルト３５，・・・で締結するために（図２参照）、ボルト孔（図示せず）が形成されている。
【００５０】
冷却部３１は、冷却蓋３２が冷却本体３３に載せられて４本のボルト３５，・・・・で締結され（図２参照）、さらに、冷却蓋３２に２本の冷却水管３４，３４が溶接等によって取り付けられて構成される。さらに、冷却部３１は、その４本のボルト３５，・・・によって熱変換部材２９を介して装置本体２２に締結される。このボルト３５，・・・・による締結によって、熱電変換モジュール３０を冷却部３１と熱交換部材２９との間に適切な面圧力で挟み込んで固定している。
【００５１】
上流側触媒装置２では、長手方向に２つの冷却部３１，３１が並んでおり、上流の冷却部３１の上流側の冷却水管３４と下流の冷却部３１の下流側の冷却水管３４とがラジエータ（図示せず）にラジエータホース（図示せず）を介して繋がるとともに、その他の冷却水管３４，３４が繋がる（図２参照）。そして、各冷却部３１では、ラジエータで冷やされた冷却水が冷却水管３４、冷却水孔３２ｄを通って冷却部３３ａに導入され、冷却フィン部３３ｂの各フィンの間を冷却水が流れることによって熱電変換モジュール３０を冷やして低温性を保っている（図４参照）。
【００５２】
図１〜図６を参照して、排気システム１における動作について説明する。ここでは、（１）上流側触媒装置２の触媒温度が上流側下限温度未満の場合、（２）上流側触媒装置２の触媒温度が上流側下限温度以上かつ下流側触媒温度３の触媒温度が下流側下限温度未満の場合、（３）下流側触媒温度３の触媒温度が下流側下限温度以上の場合について説明する。
【００５３】
（１）上流側触媒装置２の触媒温度が上流側下限温度未満の場合について説明する。エンジンの始動時、エンジンの各気筒から排気ガスが排出され、その排気ガスがエキゾーストマニホールドＥＭを介して上流側触媒装置２に導入される。上流側触媒装置２では、その排気ガスが排気通路２５に流れ込み、三元触媒部２７を通り抜ける。
【００５４】
この際、エンジンの始動時には排気系全体が低温のため、三元触媒部２７の触媒温度が上流側下限温度未満となっている（触媒温度が活性温度に達していない）。エンジンＥＣＵ７では、上流側触媒装置２からの温度信号ＵＳに基づいて、開閉弁２２ｍを全開にするための回転駆動信号ＲＳをアクチュエータに送信している。アクチュエータでは、開閉弁２２ｍを全開状態となるように軸２２ｎを回転させている。すると、開閉弁２２ｍが全開状態となり、排気通路２５が通じて、排気通路２５内に排気ガスが流れる。そのガス圧によって開閉扉２２ｊが全閉状態となり、バイパス通路２６，２６が閉じ、排気ガスが流れない。したがって、排熱発電ユニット２８，・・・では、排熱により発電を行っていない。この際、排熱発電ユニット２８，・・・では、冷却部３１，・・・において冷却水を循環させていない。
【００５５】
上流側触媒装置２から出た排気ガスは、下流側触媒装置３に導入される。下流側触媒装置３では、排気ガスが流れ込み、三元触媒を通り抜ける。この際、下流側触媒装置３の触媒温度が下流側下限温度未満となっている（触媒温度が活性温度に達していない）。
【００５６】
そして、下流側触媒装置３から出た排気ガスは、サブマフラ４及びメインマフラ５に導入される。サブマフラ４及びメインマフラ５では、排気ガスを消音する。そして、その消音された排気ガスは、大気中に放出される。
【００５７】
この場合、バイパス通路２６，２６が閉じられているので、排気ガスの熱エネルギは、排熱発電ユニット２８，・・・で消費されることなく、三元触媒の温度上昇にのみ利用される。そのため、排気ガスの温度上昇に伴って、三元触媒部２７の触媒温度を迅速に上昇させることができる。
【００５８】
（２）上流側触媒装置２の触媒温度が上流側下限温度以上かつ下涜側触媒温度３の触媒温度が下流側下限温度未満の場合について説明する。エンジンの始動後、徐々に、排気系全体の温度が上昇する。排気ガスが、エキゾーストマニホールドＥＭを介して上流側触媒装置２に導入される。上流側触媒装置２では、その排気ガスが排気通路２５に流れ込み、三元触媒部２７を通り抜ける。上流側触媒装置２はエキゾーストマニホールドＥＭの直下に配置されているので、その上昇した排気温度が殆ど低下することなく、排気通路２５に排気ガスが流れ込む。そのため、三元触媒部２７の触媒温度が、急速に上昇し、短時間で活性温度に達する。活性温度に達すると、三元触媒部２７では、排気ガスを浄化し始める。したがって、三元触媒部２７の触媒温度が、上流側下限温度以上となっている。
【００５９】
しかし、上流側触媒装置２から出た排気ガスは、三元触媒部２７の温度上昇によって熱エネルギが消費され、排気温度が低下して下流側触媒装置３に導入される。下流側触媒装置３では、その排気ガスが流れ込み、三元触媒を通り抜ける。下流側触媒装置３の触媒温度は、徐々に上昇するが、下流側下限温度未満となっている（触媒温度が活性温度に達していない）。エンジンＥＣＵ７では、上流側触媒装置２からの温度信号ＵＳ及び下流側触媒装置３からの温度信号ＤＲに基づいて、開閉弁２２ｍを全開にするための回転駆動信号ＲＳをアクチュエータに送信している。そのため、上記と同様に、開閉弁２２ｍが全開状態で排気通路２５が通じているとともに、開閉扉２２ｊが全閉状態でバイパス通路２６，２６が閉じている。なお、この場合、エンジンＥＣＵ７では、上流側触媒装置２における触媒温度や下流側触媒装置３における触媒温度に応じて、開閉弁２２ｍの開度を徐々に小さくする回転駆動信号ＲＳをアクチュエータに送信するようにしてもよい。このように制御することによって、バイパス通路２６，２６に徐々に排気ガスが流れるので、排熱発電ユニット２８，・・・で発電を行うことができるとともに、上流側触媒装置２における過度の触媒温度の上昇を抑制することができる。
【００６０】
そして、下流側触媒装置３から出た排気ガスは、サブマフラ４及びメインマフラ５に導入される。サブマフラ４及びメインマフラ５では、排気ガスを消音する。そして、その浄化及び消音された排気ガスは、大気中に放出される。
【００６１】
この場合、下流側触媒装置３の触媒温度が活性温度に達していないが、上流側触媒装置２において、排気ガスを浄化している。また、バイパス通路２６，２６が閉じられているので、排気ガスの熱エネルギは、排熱発電ユニット２８，・・・で消費されることなく、上流側触媒装置２及び下流側触媒装置３の三元触媒の温度上昇にのみ利用される。そのため、排気ガスの温度上昇に伴って、下流側触媒装置３の触媒温度を迅速に上昇させることができる。なお、下流側触媒装置３の一部でも十分な浄化能力がある場合、バイパス通路２６，２６が半開きのときには、下流側触媒装置３においてもバイパス通路２６，２６を通過した排気ガスを浄化することができる。
【００６２】
（３）下流側触媒温度３の触媒温度が下流側下限温度以上の場合について説明する。エンジンの高負荷時（高回転時）、排気ガスの排気温度も高く、その高温の排気ガスが上流側触媒装置２及び下流側触媒装置３に導入される。そのため、上流側触媒装置２及び下流側触媒装置３の触媒温度は、活性温度に達している。
【００６３】
したがって、下流側触媒装置３の触媒温度が、下流側下限温度以上となっている（触媒温度が活性温度に達している）。エンジンＥＣＵ７では、下流側触媒装置３からの温度信号ＤＳに基づいて、開閉弁２２ｍを全閉にするための回転駆動信号ＲＳをアクチュエータに送信している。アクチュエータでは、開閉弁２２ｍを全閉状態となるように軸２２ｎを回転させている。すると、開閉弁２２ｍが全閉状態となり、排気通路２５が閉じる。この際、排気通路２５には排気ガスが流れないので、三元触媒部２７では排気ガスを浄化しない。
【００６４】
また、バイパス通路２６，２６に排気ガスが流れ込み、そのガス圧によって開閉扉２２ｊが全開状態となり、バイパス通路２６，２６が開く。この際、バイパス通路２６，２６には排気ガスが流れる。排熱発電ユニット２８，・・・では、熱交換部材２９の熱交換フィン部２９ｂでバイパス通路を流れる排気ガスの熱エネルギを吸収し、その高温性を熱電変換モジュール３０の高温端面に伝える。また，排熱発電ユニット２８，・・・では、冷却部３１で冷却水を循環させ、その低温性を熱電変換モジュール３０の低温端面に伝える。そして、排熱発電ユニット２８，・・・では、熱電変換モジュール３０でその高温と低温との温度差に応じて発電し、その電気エネルギをバッテリに充電する。
【００６５】
ちなみに、熱交換フィン部２９ｂに三元触媒を担持させている場合、バイパス通路２６，２６を流れる排気ガスは、その三元触媒によって浄化される。また、その三元触媒による反応熱が、熱交換フィン部２９ｂで吸収される。
【００６６】
上流側触媒装置２から出た排気ガスは、下流側触媒装置３に導入される。下流側触媒装置３では、触媒温度が活性温度に達しているので、排気ガスを浄化する。そして、下流側触媒装置３から出た排気ガスは、サブマフラ４及びメインマフラ５に導入される。サブマフラ４及びメインマフラ５では、排気ガスを消音する。そして、その浄化及び消音された排気ガスは、大気中に放出される。
【００６７】
この場合、下流側触媒装置３の触媒温度が活性温度に達しているので、下流側触媒装置３において、排気ガスを確実に浄化している。また、バイパス通路２６，２６が開かれるので、排気ガスの熱エネルギは、上流側触媒装置２の三元触媒部２７での触媒温度の上昇で消費されることなく、排熱発電ユニット２８，・・・における発電によって回収される。したがって、三元触媒部２７での触媒温度は、上昇しないので、活性温度の上限値を超えない。
【００６８】
この排気システム１によれば、エキゾーストマニホールドＥＭの直下に上流側触媒装置２を配置させるとともに三元触媒を詰め込んだ排気通路２５を装置の中央に配置させたので、三元触媒部２７には排気系において熱エネルギを最も多く含む排気ガスが導入され、触媒温度が活性温度より低い場合でも早期に活性温度まで上昇させることができる。さらに、排気システム１では、排気通路２５の両側にバイパス通路２６，２６を配したので、そのバイパス通路２６，２６が保温断熱層として機能し、三元触媒部２７における温度上昇効果が更に高い。
【００６９】
また、排気システム１では、上流側触媒装置２において排気通路２５の他にバイパス通路２６，２６を設けるとともにバイパス通路２６，２６を流れる排気ガスの熱エネルギを回収する排熱発電ユニット２８，・・・を設けたので、三元触媒部２７で排気ガスの熱エネルギを必要としない場合にはバイパス通路２６，２６に排気ガスを流すことによってその排気ガスを電気エネルギとして有効に利用することができる。特に、排気システム１では、上流側触媒装置2はエキゾーストマニホールドＥＭの直下に配置しているので、その熱エネルギを最も多く含む排気ガスから熱エネルギを電気エネルギとして効果的に回収することができる。また、排気システム１では、下流側触媒装置３を設けたので、下流側触媒装置３の触媒温度が活性温度に達した場合には上流側触媒装置２では排気ガスを排気通路２５に排気ガスを流すのを停止でき、上流側触媒装置２の触媒温度が活性温度を超えてまで上昇することがなく、三元触媒が劣化しない。さらに、上流側触媒装置２の触媒温度を低下させるためにエンジンでリッチ運転をする必要がない。そのため、この排気システム１は、無駄に燃料を消費することがなく、多量の熱エネルギを電気エネルギとして回収できるので、燃費が向上する。また、三元触媒が劣化しないので、多くの三元触媒を詰め込んでおく必要がなく、触媒装置２，３を小型化できる。
【００７０】
また、排気システム１では、各触媒装置２，３の触媒温度に応じて排気通路２５及びバイパス通路２６，２６のガス流量を制御するので、エキゾーストマニホールドＥＭの直下において三元触媒部２７と排熱発電ユニット２８，・・・とを両立させ、排気ガスの熱エネルギを効果的に利用できる。
【００７１】
また、排気システム１では、熱交換フィン部２９ｂに三元触媒を設けた場合には、触媒効果が増すとともに、その三元触媒の反応熱による熱エネルギの吸収効果も向上する。また、この場合、バイパス通路２６，２６に漏れてきた排気ガスを確実に浄化することができ、バイパス通路２６，２６でも排気ガスを浄化できるので、下流側触媒装置３を設けなくてもシステムとして成立する可能性がある。
【００７２】
また、排気システム１では、排気音も小さくなり、各マフラ４，５を小型化できるとともに、サブマフラ４を設けなくてもシステムとして成立する可能性がある。さらに、排気システム１では、排気ガスの熱エネルギの回収効率に優れているので、排気温度が低下し、排気ガスの体積が小さくなる。そのため、ガス流量が減少するので、排圧抵抗が小さくなり、エンジンの出力がアップする。
【００７３】
図７を参照して、第２の実施の形態に係る排気システム４１の構成について説明する。図７は、第２の実施の形態に係る排気システムの全体構成図である。排気システム４１では、第１の実施の形態に係る排気システム１と同様の構成について同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００７４】
排気システム４１の構成では、排気システム１のサブマフラ４の代わりに、第２排熱回収手段としての排熱発電装置４２を設けた点のみ異なる（図１参照）。第１の実施の形態で説明したように、本実施の形態に係る排気システムでは従来の排気システムに比べて排気音が小さい。そこで、排気システム４１では、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギとして回収する効率を向上させるために、サブマフラとしての効果も有する排熱発電装置４２を設けている。したがって、排気システム４１は、主なものとして、上流側触媒装置２、下流側触媒装置３、排熱発電装置４２、メインマフラ５を備えている。排熱発電装置４２は、サブマフラ４の位置に配置され、上流端に排気管６ｂが接続され、下流端には排気管６ｃが接続される。
【００７５】
排熱発電装置４２は、上流側触媒装置２で回収できなかった排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換し、その電気エネルギをＤＣ／ＤＣコンバータ等を介してバッテリに充電する。
【００７６】
図８〜図１１を参照して、排熱発電装置４２の構成について説明する。図８は、図７の排熱発電装置の斜視図である。図９は、図７の排熱発電装置の正面図である。図１０は、図９の正面図におけるX−X線に沿った断面図である。図１１は、図９の正面図におけるXI−XI線に沿った断面図である。
【００７７】
排熱発電装置４２は、排気管を周方向に沿って４分割構造とし、周方向に沿って４個の排熱発電ユニット４３，４３，４３，４３が配置される（図１０参照）。排熱発電装置４２では、各排熱発電ユニット４３，・・・で排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する。
【００７８】
排熱発電装置４２には、最上流部に上流側の排気管６ｂと接続する排気導入管４４が配設され、最下流部に下流側の排気管６ｃと接続する排気排出管４５が配設される。排気導入管４４と排気排出管４５との間には、４個の分割排気管本体４６，４６，４６，４６が溶接等によって接続される。分割排気管本体４６，・・・は、排熱発電装置４２の中央部に９０°毎に配置され、４つの分割排気通路４７，４７，４７，４７の骨格を形成している（図１０等参照）。
【００７９】
分割排気管本体４６は、主要部が薄板状であり、断面視して等脚台形状である（図１０参照）。この等脚台形状では、平行な長辺部と短辺部を結ぶ２つの側辺部と長辺部とのなす角が４５°である。また、分割排気管本体４６は、等脚台形状の長辺部をなす外板には、開口部が形成されている。この開口部は、略正方形であり、熱交換部材４８の熱交換フィン４８ｂが挿入される。また、外板には、開口部の外周に沿って熱交換部材４８をボルトで締結して取り付けるためのボルト穴が形成されている。
【００８０】
各分割排気管本体４６の側板は、９０°をなす位置に配置された両側の分割排気管本体４６，４６の各側板に溶接によって各々接着されている。そして、４個の分割排気管本体４６，・・・は、周方向に沿って連結され、側面視して略正方形になる（図１０参照）。また、各分割排気管本体４６には熱交換部材４８が取り付けられ、開口部が閉じることによって分割排気通路４７が形成される。さらに、連結された４個の分割排気管本体４６，・・・の内板の両端には、その上流側に分流部材４６ａが溶接によって接続され、その下流側に合流部材４６ｂが溶接によって接続される（図１１参照）。分流部材４６ａは、上流側になるほど細くなる四角錘状の管形状となっており、排気導入管６ｂからの排気ガスを４つの分割排気通路４７，・・・に分流させる。また、合流部材４６ｂは、下流側になるほど細くなる四角錘状の管形状となっており、４つの分割排気通路４７，・・・を流れる排気ガスを合流させる。
【００８１】
排熱発電ユニット４３は、熱電変換モジュール４９単位に構成され、熱電変換モジュール４９の大きさを基準としてユニットを構成する各部が構成されている。排熱発電ユニット４３では、熱電変換モジュール４９に対して低温側及び高温側から適切な圧力（例えば、１７ｋｇ／ｃｍ２）を加えるとともにユニット全体をばね系により押えつけ、熱電変換モジュール４９の熱電変換効率を上げている。そして、排熱発電ユニット４３は、各分割排気管本体４６，・・・の開口部に配置される。排熱発電ユニット４３は、熱交換部材４８、熱電変換モジュール４９、冷却部５０、ばねクランプ部５４を備えている。
【００８２】
熱交換部材４８は、主に、基台４８ａ及び熱交換フィン部４８ｂからなる。基台４８ａは、肉厚の板状である。基台４８ａは、幅方向、長手方向共に熱電変換モジュール４９より長い寸法を有する。基台４８ａの載置面は、熱電変換モジュール４９の高温端面と密着するために、水平面となっている。基台４８ａの外周部には、分割排気管本体４６に取り付けられた際にボルトで締結するために、ボルト孔が形成されている。熱交換フィン部４８ｂは、基台４８ａに設けられ、熱交換部材４８が分割排気管本体４６に取り付けられた場合に各フィンの高さが分割排気管本体４６の側板及び内板に接しない程度に沿うような高さである。したがって、図１０に示すように、熱交換フィン部４８ｂの全てのフィンによって、略等脚台形状が形成される。熱交換部材４８が分割排気管本体４６の開口部に嵌め込まれボルト５８，・・・によって締結され、分割排気通路４７を形成する（図１０、図１１参照）。なお、熱交換フィン部４８ｂの各フィンの高さが分割排気管本体４６の側板及び内板に接する程度の高さでもよいが、各フィンや分割排気管本体４６に十分な変形、吸収作用が必要である。
【００８３】
熱電変換モジュール４９は、第１の実施の形態に係る熱電変換モジュール３０と同様のものである。
【００８４】
冷却部５０は、熱電変換モジュール４９の低温端面に対して適切な圧力を加えて固定し、水冷式によりその低温端面を冷却する。そのために、冷却部５０は、冷却蓋５１、冷却本体５２及び冷却水管５３，５３を備えている。
【００８５】
冷却蓋５１は、冷却本体５２の蓋であり、板部を有している。板部の中央部には、押圧部材５７を載置するために、押圧部材５７が嵌る円形で有底の穴が形成されている。また、板部の穴の両側には、複数枚の板ばね５６，・・・を両側から囲んで支持するとともに冷却水管５３，５３を設置するために、支持部が設けられている。支持部の外側部には、冷却水管５３を設置するために、冷却水管５３が嵌る取付孔が形成されている。さらに、支持部の底部には、取付孔の側部に繋がる冷却水孔が形成されている。冷却水孔は、冷却蓋５１の底面まで貫通し、冷却本体５２の冷却部５２ａに繋がる（図１１参照）。また、板部の四隅には、冷却本体５２に取り付けられた際にボルトで締結するために、ボルト孔が形成されている。
【００８６】
冷却本体５２は、冷却部５１を蓋とする肉厚の箱形状であり、その箱の凹部が冷却水が流れる冷却部５２ａとなる（図１１参照）。冷却部５２ａには、熱電変換モジュール４９を冷やすために、冷却フィン部５２ｂが設けられている。冷却フィン部５２ｂの各フィンは、全て同じ高さを有し、冷却本体５２に冷却蓋５１が取り付けられた場合に冷却蓋５１の底面に接する程度の高さである。冷却本体５２の底面は、熱電変換モジュール４９の低温端面と密着するために、水平面となっている。また、冷却本体５２の四隅には、冷却蓋５１を取り付ける際にボルトで締結するために、ボルト孔が形成されている。
【００８７】
冷却部５０では、冷却蓋５１が冷却本体５２に載せられて４本のボルト（図示せず）で締結され、さらに、冷却蓋５１に２本の冷却水管５３，５３が溶接等によって取り付けられて構成される。排熱発電装置４２では、周方向に４つの冷却部５０，・・・が並んでおり（図１０参照）、上部の冷却部５０の冷却水管５３とその冷却部５０に隣接する冷却部５０の冷却水管５３とが接続管５３ｃを介してラジエータ（図示せず）にラジエータホース（図示せず）を介して繋がるとともに、その他の冷却水管５３，・・・が隣接する冷却部５０，５０間で接続管５３ａをよって繋がる（図８参照）。そして、各冷却部５０では、ラジエータで冷やされた冷却水が冷却水管５３、冷却水孔を通って冷却部５２ａに導入され、冷却フィン部５２ｂの各フィンの間を冷却水が流れることによって熱電変換モジュール４９を冷やして低温性を保っている。
【００８８】
ばねクランプ部５４は、冷却部５０の外側から所定の圧力を印加し、熱電変換モジュール４９を冷却部５０と熱交換部材４８との間に固定する。この際、ばねクランプ部５４では、数枚の板ばねによる弾性力によって、排熱発電ユニット４３全体を押えつけている。また、排熱発電装置４２では、周方向に沿って４つのばねクランプ５４，５４，５４，５４が締結され、この４つのばねクランプ５４，・・・によって装置全体を締め付けている。そのために、ばねクランプ部５４は、クランプ５５、数枚の板ばね５６，・・・及び押圧部材５７を備えている。
【００８９】
クランプ５５は、収納部５５ａ、接続部５５ｂ，５５ｂ及び締結部５５ｃ，５５ｃを有している（図８参照）。収納部５５ａ、接続部５５ｂ，５５ｂ及び締結部５５ｃ，５５ｃは一枚の板で形成される。収納部５５ａは、正面視して凹状である。収納部５５ａの中央部には、板ばね５６と同形状で大きさが若干小さい開口孔５５ｄが形成されており（図８参照）、この開口孔５５ｄの外周部で板ばね５６を押えつけている。接続部５５ｂは、収納部５５ａと両端の締結部５５ｃ，５５ｃとを連結する。締結部５５ｃは、接続部５５ｂに対して略垂直に折れ曲がっており、隣接するクランプ５５の締結部５５ｃと底面同士が接する形状となっている。締結部５５ｃには、ボルトが貫通する３つのボルト孔が形成されている。ちなみに、４個のクランプ５５，・・・が締結されると、その４個のクランプ５５，・・・が断面視して略円形状となり、排熱発電装置４２の最外部を被う（図１０参照）。
【００９０】
板ばね５６は、平面視して略楕円形状である。板ばね５６は、小さいばね定数を有する。ちなみに、ばねクランプ部５４では、板ばね５６を数枚重ねて弾性力を発生させている。
【００９１】
押圧部材５７は、板ばね５６と点接触するために半球状である。押圧部材５７の円形状の底面は、冷却蓋５１の穴に嵌合する大きさを有する。
【００９２】
ばねクランプ部５４では、冷却部５０の冷却蓋５１の穴に押圧部材５７が嵌め込まれ、その押圧部材５７の上に数枚の板ばね５６，・・・が載置され、板ばね５６，・・・を収納部５５ａで被うようにクランプ５５が板ばね５６の上に載置される。この際、板ばね５６，・・・は、冷却蓋５１の支持部で両側から支えられており、その最上面が支持部よりも高くなっている。さらに、ばねクランプ部５４では、クランプ５５の締結部５５ｃ，５５ｃが両側のクランプ５５，５５の締結部５５ｃ，５５ｃに合わせられ、隣接するクランプ５５，５５の締結部５５ｃ，５５ｃがボルト５９，・・・及びナット６０，・・・によって締結される（図１０参照）。そして、周方向に沿って締結されている４つのばねクランプ５４，５４，５４，５４によって、装置全体をベルトのように締め付けている。
【００９３】
図７〜図１１を参照して、排気システム４１における動作について説明する。排気システム４１は、サブマフラ４で消音を行う代わりに排熱発電装置４２で発電を行う点のみ、第１の実施の形態に係る排気システム１と動作が異なるので、その点のみ説明する。
【００９４】
排熱発電装置４２には、排気導入管４４から排気ガスが導入され、ラジエータに繋がる冷却水管５３，５３から冷却水が流通される。導入した排気ガスは、分流部材４６ａによって４つの分割排気通路４７，・・・に分流される。ちなみに、この導入される排気ガスは、上流側触媒装置２において三元触媒の温度上昇に利用されているか又は熱エネルギが電気エネルギとして回収されているので、上流側触媒装置２に導入される排気ガスの熱エネルギよりも減少している。
【００９５】
各分割排気通路４７では、排気ガスが、熱交換部材４８の熱交換フィン部４８ｂのフィンの間を通り抜け、下流に流れていく。熱交換フィン部４８ｂでは、排気ガスから熱エネルギを吸収する。そして、熱交換部材４８では、その吸収した熱エネルギを熱電変換モジュール４９の高温端面に伝達する。
【００９６】
一方、冷却水は、冷却部５０の各冷却部５２ａ内の冷却フィン部５２ｂのフィンの間を通り抜け、下流に流れていく。そして、冷却部５０では、その冷却水による低温性を熱電変換モジュール４９の低温端面に伝達する。
【００９７】
各熱電変換モジュール４９では、高温端面に伝達された高温と低温端面に伝達された低温との温度差に応じて発電し、その電気エネルギをバッテリに充電する。この際、高温性と低温性が十分に保たれているので、温度差が大きく、発電力も大きい。
【００９８】
そして、排熱発電装置４２で排気ガスの熱エネルギが電気エネルギとして回収した後、その排気ガスがメインマフラ５に導入される。ちなみに、この排気ガスは、熱エネルギが回収され、低温となっている。
【００９９】
排気システム４１によれば、第１の実施の形態に係る排気システム１における効果に加えて、排気ガスの熱エネルギを更に電気エネルギとして回収することができ、燃費が向上する。また、排気温度が更に低下するので、エンジンの出力もアップする。
【０１００】
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。
【０１０１】
例えば、本実施の形態では２つの触媒装置を備える構成としたが、排熱発電ユニットを備える触媒装置を１つ備える構成でもよく、その場合にはバイパス通路を通る排気ガスを浄化するために熱交換フィンに三元触媒を担持させる等の構成が必要となる。また、２つの触媒装置では共に三元触媒によって排気ガスを浄化する構成としたが、一方の触媒装置を酸化触媒とし、他方の触媒装置を還元触媒とする等、エンジンの特性等を考慮して２つの触媒装置で異なる触媒によって排気ガスを浄化する構成でもよい。
【０１０２】
また、本実施の形態では排熱発電ユニット付きの触媒装置をエキゾーストマニホールドの直下に設けたが、排気系におけるそれ以外の場所でもよい、あるいは、エキゾーストマニホールド内の最下流部に組み込んでもよい。
【０１０３】
また、本実施の形態では上流側及び下流側に2つの触媒装置を設け、その2つの触媒装置における触媒温度に基づいて開閉弁の開度を制御したが、排熱発電ユニット付きの触媒装置を１つだけ設け、その触媒装置における触媒温度が活性温度範囲になるように開閉弁の開度を制御するように構成してもよい。
【０１０４】
また、本実施の形態では排気通路に設けられた開閉弁を全閉あるいは全開にするように制御したが、触媒温度に応じてその開度を段階的に制御してもよい。また、バイパス通路にアクチュエータで駆動する開閉弁を設け、触媒温度に応じてその開閉弁の開度を制御するようにしてもよい。
【０１０５】
また、本実施の形態では冷却部を水冷式で構成したが、空冷式で構成してもよい。
【０１０６】
本発明によれば、触媒の劣化を防止できるとともに、排気ガスから熱エネルギを効率良く回収でき、燃費が非常に良い。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年11月23日(2004.11.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関からの排気ガスを流す排気通路（６）と、排気ガスを触媒（２７）により浄化する第一排気浄化手段（２）と、排気ガスの熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電素子（３０）を備える第一排熱回収手段(２８)とを具備する排気システム（１；４１）であって、
内燃機関からの排気通路は、第一排気浄化手段（２）のみを経由する第一通路（２５）と、熱電素子（３０）を備える第一排熱回収手段（２８）を備えた経路を経由する第二通路（２６）とに分岐し、
第一通路（２５）と第二通路（２６）との間で排気ガスの流れを変えるように操作される制御部材（２２ｊ、２２ｋ、２２ｍ、２２ｎ）を具備し、
制御部材（２２ｊ、２２ｋ、２２ｍ、２２ｎ）の操作は、第一排気浄化手段（２）の温度に基づいて制御され、
制御部材（２２ｊ、２２ｋ、２２ｍ、２２ｎ）は、第一排気浄化手段（２）の温度が所定温度を超えるときに排気ガスが第二通路（２６）を通って流れるように操作され、
所定温度は、第一排気浄化手段（２）の触媒（２７）の触媒活性化温度範囲に基づいて決定されることを特徴とする排気システム（１；４１）。
【請求項２】
前記第一通路と前記第二通路とが統合された排気通路（６）上に第二排気浄化手段（３）を備えたことを特徴とする請求項１に記載する排気システム。
【請求項３】
前記制御部材（２２ｊ，２２ｋ，２２ｍ，２２ｎ）は、前記第二排気浄化手段（３）の温度に基づき切り替えを行うことを特徴とする請求項２に記載する排気システム。
【請求項４】
前記第二排気浄化手段（３）の温度が所定温度を超えるとき、前記制御部材（２２ｊ，２２ｋ，２２ｍ，２２ｎ）を操作することで、排気ガスが前記第二通路（２６）を通るようにすることを特徴とする請求項３に記載する排気システム。
【請求項５】
前記所定温度が前記第二排気浄化手段の触媒活性化温度範囲に基づき決定されることを特徴とする請求項４に記載する排気システム。
【請求項６】
前記第二排気浄化手段（３）の下流側に、熱電素子を備える第二排熱回収手段（４２）を備えることを特徴とする請求項２に記載する排気システム。
【請求項７】
前記第一通路（２５）と前記第二通路（２６）は、一つの構造体として構成されており、該第一通路（２５）は構造体の中央部に位置し、該第二通路（２６）は第一通路（２５）の外周側に設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載する排気システム。
【請求項８】
前記第二通路（２６）には、前記第一排熱回収手段への熱伝達をするための熱交換手段を備え、熱交換手段に排気ガスを浄化するための触媒を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載する排気システム。
【請求項９】
前記触媒（２７）を、前記熱交換手段（２９）に担持させたことを特徴とする請求項８に記載する排気システム。
【請求項１０】
前記第１通路（２５）と前記第２通路（２６）が構成される前記構造体は、内燃機関の排気マニホールド（ＥＭ）の近傍に設けられていることを特徴とする請求項７に記載する排気システム。
【請求項１１】
前記制御部材（２２ｊ，２２ｋ，２２ｍ，２２ｎ）は、内燃機関からの排気通路から、前記第一通路（２５）と前記第二通路（２６）に流入する排気ガスの比率を変更することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載する排気システム。
【請求項１２】
前記制御部材（２２ｊ，２２ｋ，２２ｍ，２２ｎ）は、前記第一通路（２５）あるいは前記第二通路（２６）を開閉させるよう所定開度で開閉される弁（２２ｍ）であることを特徴とする請求項１１に記載する排気システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
排熱発電装置では、排気ガスが流れる排気管（高温側）と冷却部（低温側）との間に熱電変換モジュールを配置し、この高温側と低温側との温度差に応じて熱電変換モジュールの各熱電素子で発電している（特許文献１：特開平１０−２３４１９４号公報）。この排熱発電装置における熱電変換効率を向上させるためには、高温側の温度を上げるとともに、高温側と低温側との温度差を大きくする必要がある。そこで、排熱発電装置には、排気通路内に触媒を充填し、その触媒によって排気ガスを浄化するとともに触媒の反応熱によって排気温度（ひいては、熱電変換モジュールの高温側の温度）を高めるものもある。高負荷運転下で、エンジンからの排気ガスの流れは、分かれることができ、その一部は、別の触媒を含有するバイパスによって再方向づけることができる（特許文献２：特開２０００−３５２３１３号公報）。熱電変換素子がその耐熱温度を超えるのを防止するために、例えば、高負荷運転中に、排気ガスの流れは、バイパスを経由して再方向づけることもできる（特許文献３：特開平０６−０８１６３９号公報）。
【国際調査報告】
2006512535.tif 000014
2006512535.tif 000015
2006512535.tif 000016