(57)【要約】  内燃機関装置のエネルギー回収システムは、該内燃機関の排気ガスを運搬できる主管路（２）と、主管路（２）内を流れる高温の排気ガスと冷熱源との間の熱流束の変換によって、ゼーベック効果により電力を生成できる、それぞれ少なくとも１つの第１熱電装置（３）及び第２熱電装置（４）であって、前記熱電装置は各々、最適温度範囲及び最高許容温度を有する、前記第１熱電装置及び第２熱電装置とで構成されている。前記第２熱電装置（４）の最適温度範囲及び最高許容温度は、前記第１熱電装置（３）の最適温度範囲及び最高許容温度よりそれぞれ低く、また、該システムは、前記第２熱電装置（４）が、その最高許容温度を超える温度に暴露されるのを防ぐために、前記第２熱電装置（４）に接して通過する排気ガスの流量を制御する制御手段（１１）をさらに備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関装置のエネルギー回収システムであって、
−該内燃機関の排気ガスを運搬できる主管路（２）と；
−主管路（２）内を流れる高温の排気ガスと冷熱源との間の熱流束の変換によって、ゼーベック効果により電力を生成できる、それぞれ少なくとも１つの第１熱電装置（３）及び第２熱電装置（４）であって、該第２熱電装置（４）は、第１熱電装置（３）の下流に位置しており、前記熱電装置は各々、最適温度範囲及び最高許容温度を有する、前記第１熱電装置及び第２熱電装置を備え、
前記第２熱電装置（４）の最適温度範囲及び最高許容温度は、前記第１熱電装置（３）の最適温度範囲及び最高許容温度よりそれぞれ低く、また、該システムは、前記第２熱電装置（４）が、その最高許容温度を超える温度に暴露されるのを防ぐために、前記第２熱電装置（４）に接して通過する排気ガスの流量を制御する制御手段（１１）をさらに備えることを特徴とする、システム。
【請求項２】
第１熱電装置（３）により生成される電力を制御するさらに別の追加的制御手段（９）を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記追加的制御手段が、冷熱源の流量及び／又は温度を制御するように設計される、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
第１熱電装置（３）及び第２熱電装置（４）の間で、主管路（２）に接続される吸込口と、第２熱電装置（４）から下流で主管路（２）に接続される吐出口とを有する二次管路（１０）を備え、該システムは、主管路（２）内を流れる排気ガスの一部を第２熱電装置（４）に向けると共に、排気ガスの残り部分を前記二次管路（１０）に向けることができる弁（１１）をさらに備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５】
前記二次管路（１０）が、二次熱電装置（２０）を備え、該二次熱電装置は、二次管路（１０）内を流れる高温の排気ガスと冷熱源との間の温度差の変換によって、ゼーベック効果により電力を生成できる、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記二次熱電装置（２０）が、前記第２熱電装置（４）の最適温度範囲及び最高許容温度よりそれぞれ高い最適温度範囲及び最高許容温度を有する、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記第１熱電装置（３）の最適温度範囲が、約３００℃〜５００℃であり、また、前記第２熱電装置（４）の最適温度範囲が、約１５０℃〜３００℃である、請求項１〜６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項８】
前記第２熱電装置（４）の最高許容温度が、４００℃より低い、請求項１〜７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項９】
前記第１熱電装置（３）が、以下の群：（ｐ−Ｚｎ４Ｓｂ３、ｎ−Ｍｇ２Ｓｉ）、（ｐ−ＣｏＳｂ３、ｎ−ＣｏＳｂ３）に属する少なくとも１つの材料から作製される熱電素子を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記第２熱電装置（４）が、Ｂｉ２Ｔｅ３を含んでなる熱電素子を含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１１】
前記主管路（２）内を流れる高温の排気ガスと冷熱源との間の温度差の変換によって、ゼーベック効果により電力を生成できる第３熱電装置（１２）を備え、該第３熱電装置（１２）は、前記第２熱電装置（４）から下流に位置しており、前記第３熱電装置（１２）は、前記第２熱電装置（４）の最適温度範囲及び最高許容温度よりそれぞれ低い最適温度範囲及び最高許容温度を有し、該システムは、前記第３熱電装置が、その最高許容温度を超える温度に暴露されるのを防ぐために、前記第３熱電装置（１２）に接して通過する排気ガスの流量を制御する制御手段（１４）をさらに備える、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１２】
前記冷熱源が、エンジン冷却液、補助冷却液及び／又は周囲空気を含むことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１３】
各熱電装置（３、４、１２）が、バッテリー及び／又は電気により作動される１つ以上の車両部品に接続されていることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載のシステムを備えることを特徴とする、内燃機関装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車、特に工業車両の内燃機関装置に関する。より具体的には、本発明は、そのような内燃機関装置のエネルギー回収システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の内燃機関装置は、例えば排気マニホールドを通じて、内燃機関から排気ガスを収集できる排気管路を備える。この排気ガスは、高速度及び高温を有し、これには、有意な量のエネルギーが含まれている。
【０００３】
いくつかのシステムは、車両の効率、より具体的には、エンジン装置の効率（燃料消費に直接影響を与える）を改善する目的で、上記エネルギーの少なくとも一部を回収するように設計されている。
【０００４】
従来のシステムは、排気管路に、ゼーベック効果を用いた１つ又は複数の熱電装置を備えることからなる。こうした熱電装置は、排気管路内を流れる高温の排気ガスと、冷熱源との間の熱流速の変換によって電力を生成できる。生成された電力は、車両の様々な要素の動作に用いることができ、及び／又はバッテリーなどのエネルギー貯蔵部品に貯蔵できる。
【０００５】
しかし、この従来のシステムの大きな制約事項は、排気ガスの流量及び温度が、エンジン動作状態に応じて、かなり広範囲に変動しうることである。従って、熱電装置は、様々なレベルの高温及び熱流速に暴露されることになる。その結果、排気ガスの温度が熱電装置の最適温度範囲から大きく逸脱すると、熱電装置の効率が悪くなる可能性がある。排気ガスの温度が、熱電装置の最高許容温度より高くなる場合には、熱電装置を損傷する危険性すらある。
【０００６】
従って、複数の観点から、エネルギー回収に関するエンジン装置において改善の余地がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、従来のエンジン装置にみられた欠点を解消できる、改善されたエネルギー回収システムを提供することである。
【０００８】
本発明の別の目的は、排気ガスに含まれるエネルギーをより有効に利用して、熱電装置に起こる一切の損傷を防止する内燃機関装置のエネルギー回収システムを提供することである。
【０００９】
本発明において、このようなエネルギー回収システムは、
−内燃機関の排気ガスを運搬できる主管路と；
−主管路内を流れる高温の排気ガスと冷熱源の温度差の変換によって、ゼーベック効果により電力を生成できる、それぞれ少なくとも１つの第１熱電装置及び第２熱電装置であって、第２熱電装置は、第１熱電装置の下流に位置しており、上記熱電装置は各々、最適温度範囲及び最高許容温度を有する、第１熱電装置及び第２熱電装置を備え、
第２熱電装置の最適温度範囲及び最高許容温度は、それぞれ第１熱電装置の最適温度範囲及び最高許容温度より低く、また、該システムは、第２熱電装置が、その最高許容温度を超える温度に暴露されるのを防ぐために、第２熱電装置に接して通過する排気ガスの流量を制御する制御手段をさらに備える。
【００１０】
熱電装置の最適温度範囲とは、最大変換効率が存在する温度範囲、すなわち、所与の温度差から熱電装置によって生成できる電圧が最大となる温度範囲である。最高許容温度とは、それを超えると当該熱電装置が損傷を受ける可能性がある温度である。
【００１１】
本発明のシステムにおいては、第１熱電装置は、排気管路内の該装置の位置で、好ましくは少なくとも考えられる排気ガスの最高温度に一致する高温に耐えるように設計される。従って、この第１熱電装置は、通常の動作状態で損傷を受けることはない。さらに、その最適温度範囲はかなり高い。その結果、排気管内の第１熱電装置であるため、排気ガスの依然として高い温度に暴露され、従って、満足な効率を提供する。
【００１２】
第２熱電装置に関しては、本発明は、エンジン動作状態に応じて、過熱防止と最適効率の両方を確実にする手段を提供する。
【００１３】
具体的に、制御手段は、第２熱電装置に接して通過する排気ガスの流量を制御できる。この制御は、排気ガスの総流量の全範囲、すなわち総流量の０％〜１００％の範囲にわたって連続的に実施できる。この制御は、例えば、予め定めた様々な設定値に応じて個別に行ってもよく、且つ／又は総流量の一部の範囲だけにわたって行うこともできる。制御手段は、例えば、第１熱電装置から上流の排気ガス温度及び／又は排気ガス流量によって、すなわちエンジン動作状態に応じて操作できる。
【００１４】
排気ガスが非常に高温である場合には、制御手段は、第２熱電装置を過熱から保護するために、該装置に接して通過する流れを制限するか、あるいは停止することができる。これとは反対に、排気ガスの温度がより低い場合には、制御手段は、第２熱電装置吸込口での排気ガスの温度がその最高許容温度より低いことを条件に、排気ガスの流れ全体を第２熱電装置に接して通過させることができる。
【００１５】
さらに、上記制御手段は、排気ガスの一部のみを第２熱電装置に接して通過させることもできる。これは、例えば、排気ガスが中間の温度を有するとき、実施できる。排気ガスの流量を減少させることにより、排気ガスの温度を主管路に沿って急速に低下させて、排気ガスが第２熱電装置の吸込口に達するとき、該装置の最高許容温度より低くなるようにすることができる。従って、この実施形態では、本発明は、排気ガスに含まれるエネルギーの少なくとも一部を利用することを可能にする。
【００１６】
本発明では、異なる最適動作温度範囲を有する複数の熱電装置を備えているために、回収されるエネルギーを増加すると共に、予冷器を必要とすることなく、熱電装置を保護しながら、本システムの効率全体を高めることが可能である。
【００１７】
本発明の実施に際し、本システムは、第１熱電装置によって生成される電力を制御するさらに別の追加的制御手段を備えてもよい。
【００１８】
例えば、排気ガスがかなり低温及び／又はかなり低流量である場合には、第１熱電装置によって生成される電力を低減するか、あるいは、第１熱電装置を動作停止させることが考えられる。実際に、これによって、第２熱電装置が、その最適温度範囲を下回っていない温度に暴露することが確実になるので、第２熱電装置は優れた効率を獲得できる。第１熱電装置の効率は、排気ガスの温度がその最適温度範囲より低いとき悪くなることから、第１熱電装置の（少なくとも部分的）動作停止によって、全体の効率が損なわれることは実質的にないことに留意すべきである。また、第１熱電装置を（少なくとも部分的に）動作停止させることによって、第２熱電装置から下流の排気ガスの温度が、後処理装置、例えばＳＣＲ（選択触媒還元）システムの優れた効率を可能にするのに十分高いことを確実にすることができる。
【００１９】
第１熱電装置の（少なくとも部分的）動作停止は、排気ガスの流量の制御によって実施されないことが好ましい。言い換えれば、第１熱電装置は遮蔽されないため、全排気ガス流に依然として暴露される。
【００２０】
例えば、追加的制御手段は、第１熱電装置に関連する冷熱源の流量及び／又は温度を制御し、且つ／又は第１熱電装置の電気出力を制御するように設計される。
【００２１】
本発明の一実施形態では、本システムは、第１熱電装置及び第２熱電装置の間で、主管路に接続される吸込口と、第２熱電装置から下流で主管路に接続される吐出口とを備える二次管路を備え、該システムは、主管路内を流れる排気ガスの一部を第２熱電装置に向けると共に、排気ガスの残り部分を二次管路に向けることができる弁をさらに備える。
【００２２】
二次管路は、二次管路内を流れる高温の排気ガスと冷熱源との間の熱流束の変換によって、ゼーベック効果により電力を生成できる二次熱電装置を備えることもでき、二次熱電装置は、第２熱電装置の最適温度範囲及び最高許容温度よりそれぞれ高い最適温度範囲及び最高許容温度を有する。
【００２３】
上記のような構成により、本発明は、第２熱電装置を迂回しながら、第１熱電装置から下流で、排気ガスにまだ含まれているエネルギー部分を回収することを可能にする。例えば、二次熱電装置は、第１熱電装置と同じ最適温度範囲及び最高許容温度を有する。考えられる実施形態では、これらの装置は同一であってよい。別の考えられる実施形態では、二次熱電装置の最適温度範囲及び最高許容温度は、第１熱電装置及び第２熱電装置の最適温度範囲及び最高許容温度の中間である。
【００２４】
例えば、第１熱電装置の最適温度範囲は、約３００℃〜５００℃であり、また、第２熱電装置の最適温度範囲は、約１５０℃〜３００℃である。
【００２５】
典型的には、第２熱電装置の最高許容温度は４００℃より低くてもよく、例えば、約３５０℃〜４００℃であってよい。
【００２６】
第１熱電装置は、以下の群：（ｐ−Ｚｎ４Ｓｂ３、ｎ−Ｍｇ２Ｓｉ）、（ｐ−ＣｏＳｂ３、ｎ−ＣｏＳｂ３）に属する少なくとも１つの材料から作製される熱電素子を含むことが考えられる。第２熱電装置は、Ｂｉ２Ｔｅ３を含んでなる熱電素子を含む。
【００２７】
本発明の一実施形態では、主管路内を流れる高温の排気ガスと冷熱源の温度差の変換によって、ゼーベック効果により電力を生成できる第３熱電装置を備え、第３熱電装置は、第２熱電装置から下流に位置し、第３熱電装置は、第２熱電装置の最適温度範囲及び最高許容温度よりそれぞれ低い最適温度範囲及び最高許容温度を有し、該システムは、第３熱電装置がその最高許容温度を超える温度に暴露されるのを防ぐために、第３熱電装置に接して通過する排気ガスの流量を制御する制御手段をさらに備える。すなわち、本発明のシステムは、主管路に沿って、下流方向に、低下する温度に合わせて設計される、３つの連続した段階の熱電装置を備える。
【００２８】
冷熱源は、エンジン冷却液、補助冷却液及び／又は周囲空気である。
【００２９】
各熱電装置は、バッテリー及び／又は電気によって作動される１つ以上の車両部品に接続できる。
【００３０】
本発明はまた、以上説明したエネルギー回収システムを備える内燃機関装置にも関する。
【００３１】
上記及びその他の利点は、非制限的な例として、本発明の車両の実施形態を示す添付の図面を参照しながら、以下の説明を読むことにより明らかになるであろう。
【００３２】
以下に示す本発明のいくつかの実施形態の詳細な説明は、添付の図面と共に読めばより明確に理解されよう。しかし、本発明が、開示した具体的実施形態に限定されないことは理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１の実施形態による内燃機関装置の排気管路の概略図である。
【図２】本発明の第２の実施形態による内燃機関装置の排気管路の概略図である。
【図３】本発明の第３の実施形態による内燃機関装置の排気管路の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
内燃機関は、一般に、複数のシリンダーを画定するエンジンブロックを含む。吸気は、シリンダーに供給するために、吸気管路を通じて、エンジンに向かって運搬される。尚、該吸気管路は吸気マニホールドを備えてもよい。各シリンダー内に形成されるガスは、（排気マニホールドを備える）少なくとも１つの排気管路によって収集され、次いで、該排気ガスは、排気管路１により大気に向けて運搬されるが、該排気管路は、各種の排気ガス後処理装置及びサイレンサーを備える。
【００３５】
図１に示すように、排気管路１は、第１熱電装置３と、第１熱電装置３から下流に位置する第２熱電装置４とを有する主管路２を備える。これらの熱電装置３、４は、ゼーベック効果によって電力を生成できる。
【００３６】
図示の実施形態において、熱電装置３、４は、実質的に円筒状であり、主管路２の周りを取り囲んでいる。熱電装置３、４は各々、内壁６と外壁７との間に配置される熱電素子５を含む。内壁６は、高温排気ガスから熱電素子５への良好な熱伝達を達成するために、主管路２に近接して、又はこれに接して位置し、主管路と熱的に接続するようになっている。さらに、冷却液回路８又はその派生部品は、熱電素子５から冷却液への良好な熱伝達を達成するために、エンジン冷却液を運搬し、外壁７、すなわち熱電素子５の反対側と熱的に接続する。
【００３７】
図示の実施形態において、冷却液回路８は弁９を備えており、この弁の開口は、例えば、排気ガス温度及び／又は流量に応じて、且つ／又はエンジン動作状態に応じて、制御手段（図示なし）により制御される。さらに、上記熱電装置３、４は、電気回路に接続されるが、該回路は、１つ以上のバッテリー及び／又は電気により作動される１つ以上の車両部品を備える。電気回路は、好ましくは該回路内の電流を制御する手段を備える。各熱電装置は、それ自身の独立した電気回路を備えていてもよく、あるいは、これら熱電装置は共通の回路を共有してもよい。
【００３８】
熱電素子５は、主管路２内を流れる高温の排気ガスと、冷却液回路８内を流れる冷却液との間の温度差による熱流束を電力に変換できる材料、又は材料のセットを含む。
【００３９】
別の実施形態（図示なし）では、熱電装置３、４の冷熱源は、エンジン冷却液回路から独立した補助冷却液回路、例えばエンジン給気冷却液回路又は車両室内空調回路、及び／又は周囲空気を単独で、又は組み合わせて備える。また、異なる熱電装置が同じ冷熱源を備えていてもよく、異なる冷熱源を備えていてもよい。
【００４０】
排気管路１は、第１熱電装置３及び第２熱電装置４の間で主管路２に接続される吸込口と、第２熱電装置４から下流で主管路２に接続される吐出口とを有する二次管路１０を含む。言い換えれば、二次管路は、第２熱電装置が位置する主管路の部分と平行に配置される。主管路２と二次管路１０との上流接続点に、主管路２内を流れる排気ガスの一部を第２熱電装置４に向けると共に、排気ガスの残りの部分を二次管路１０に向けることができる弁１１を設ける。これにより、必要に応じて、熱電装置４を完全に、又は部分的に迂回できる。
【００４１】
第１熱電装置３は、高温に耐えるように設計されている。すなわち、どんなエンジン動作状態であったとしても、該装置は、高温の排気ガスに常に暴露できる。上記装置は、その最高許容温度が、該第１装置３の位置で、主管路２内を流れる排気ガスが達しうる最高温度より高いため、保護する必要がない。さらに、第１熱電装置３は、高い最適温度範囲を有する。第１熱電装置は、主管路２の最も上流に位置することから、排気ガスがまだ非常に高温のときに排気ガスに暴露されることが確実にされ、これによって、第１熱電装置３の十分な効率がもたらされる。
【００４２】
例えば、第１熱電装置３は、約３００℃〜５００℃の最適温度範囲を有し、（ｐ−Ｚｎ４Ｓｂ３、ｎ−Ｍｇ２Ｓｉ）を含んでなる熱電素子５を含む。
【００４３】
これに対し、第２熱電装置４は、より低い最適温度範囲を有する。従って、第２熱電装置は、効率的に電力を生成するのに、第１熱電装置３から下流で、より低い排気ガス温度を利用できる。例えば、この最適温度範囲は、約１５０℃〜３００℃である。第２熱電装置４は、Ｂｉ２Ｔｅ３を含む熱電素子５を含んでいてもよい。
【００４４】
より低い最適温度範囲を有する材料はまた、最高許容温度も低く、典型的には４００℃以下、あるいは３５０℃以下である。
【００４５】
図１の装置では、排気ガスの温度があまり高くないとき、第２熱電装置４を用いて電力を生成するが、排気ガスの温度が高すぎる場合には、該装置を過熱から保護するために、少なくとも部分的に迂回させる。従って、本発明は、第２熱電装置吸込口地点での排気ガスの温度が、第２熱電装置４の最高許容温度を決して超えないことを確実にする。これにより、熱電装置３、４を損傷することなく、高温の排気ガスのエネルギーを効率的に利用することが可能になる。
【００４６】
本発明の第２の実施形態を図２に示す。これは、図１に示した第１の実施形態の改良例に相当するものであり、二次管路１０は、ゼーベック効果により電力を生成できる二次熱電装置２０を備える。
【００４７】
二次熱電装置２０は、第２熱電装置４の最適温度範囲及び最高許容温度よりそれぞれ高い最適温度範囲及び最高許容温度を有する。例えば、二次熱電装置２０は、第１熱電装置３と同じ熱電素子５で作製されたものか、また場合によっては、第１熱電装置３と同一である。
【００４８】
この装置では、排気ガスが非常に高温であり、そのため、過熱から第２熱電装置４を保護するために、排気ガスが（少なくとも部分的に）上記二次管路１０に向けられるとき、二次管路１０内を流れる排気ガスのエネルギーは失われていないため、電力を生成するために、二次熱電装置２０によって利用できる。
【００４９】
本発明の第３の実施形態を図３に示す。
【００５０】
第１熱電装置３、第２熱電装置４及び第３熱電装置１２が、主管路２に連続して設置される。これらの装置の最適温度範囲及び最高許容温度は、第１装置から第３装置の順に低くなっていく。
【００５１】
さらに、排気管路１は、二次管路１０に接続された吸込口と、第３熱電装置１２から下流で主管路２に接続された吐出口を有する、さらに別の追加的枝管１３を含む。弁１４、１５が、主管路２と二次管路１０との下流接続点、並びに追加的枝管１３と二次管路１０との接続点にそれぞれ取り付けられている。
【００５２】
第１熱電装置３は、常に排気ガスに暴露されている。排気ガスの温度及び／又は流量に応じて、第２熱電装置４及び／又は第３熱電装置１２は、過熱から保護するため、排気ガスに暴露することもあれば、暴露しないこともある。第２熱電装置４及び第３熱電装置１２は、独立して排気ガスに暴露したり、又は暴露しないようにしたりすることができる。さらに、必要であれば、いつでもこれら熱電装置のいずれかを再作動させることが可能である。
【００５３】
図２の第２実施形態と同様に、二次管路１０及び／又は追加的枝管１３に、適切な最適温度範囲及び最高許容温度を有する、さらに別の追加的熱電装置を設けることも可能である。
【００５４】
勿論、本発明は、非制限的な例として上述の実施形態に限定されるわけではなく、反対に、それらの実施形態をすべて包含するものとする。
【図１】
2012522176.tif 000003
【図２】
2012522176.tif 000004
【図３】
2012522176.tif 000005
【国際調査報告】
2012522176.tif 000006
2012522176.tif 000007
2012522176.tif 000008