JP2012057579A

JP2012057579A - 内燃機関のｅｇｒクーラ

Info

Publication number: JP2012057579A
Application number: JP2010203236A
Authority: JP
Inventors: Keisei Kin; 奎成金
Original assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Current assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Priority date: 2010-09-10
Filing date: 2010-09-10
Publication date: 2012-03-22

Abstract

【課題】ＥＧＲガス及び冷却水の流路抵抗の増大を抑制して、熱電素子の変換効率を向上できる内燃機関のＥＧＲクーラを提供する。
【解決手段】断面四角形の筒状をなすようにＥＧＲガス流路２１を形成し、このＥＧＲガス流路２１の外側の４面にそれぞれ熱電素子２３を配置すると共に、ＥＧＲガス流路２１に沿った筒状をなす冷却水流路２２によりＥＧＲガス流路２１を包み込んで内部に冷却水を流通させる。これにより、熱電素子２３の高温端面２３ａ及び低温端面２３ｂの面積を十分に確保した上で、分流や合流による流路抵抗の増大を抑制ながらＥＧＲガス及び冷却水を円滑に流通させ、熱電素子２３への受熱及び放熱を効率よく行わせる。
【選択図】図２

Description

本発明は内燃機関のＥＧＲ装置に設けられたＥＧＲクーラに係り、詳しくはＥＧＲガスが有する熱エネルギを電気エネルギに変換して回収する機能を有するＥＧＲクーラに関する。

従来、高温の排ガスを排出する自動車などでは、排ガスが有する熱エネルギを電気エネルギに変換して回収し、これによりオルタネータの発電量を減少させて内燃機関の燃費低減を図るようにした発電装置が提案されている。この種の発電装置は内燃機関の排ガス流路上の何れかの箇所に設ける必要があり、例えばＥＧＲクーラに設けられる。
周知のようにＥＧＲクーラは、内燃機関の排気側から吸気側に排ガスをＥＧＲガスとして環流させるＥＧＲ装置の構成部品であり、内部を流通する冷却水によりＥＧＲガスを冷却する役割を果たしている。このようなＥＧＲクーラに発電装置を設ける場合には、ＥＧＲガスと冷却水との間に熱電素子を介装し、この熱電素子のゼーベック効果により熱起電力を発生させて発電を行っている（例えば、特許文献１参照）。

当該特許文献１の技術では、ＥＧＲクーラのケーシング内に３層のＥＧＲガス流路と４層の冷却水流路とを交互に重なるように配置し、各ＥＧＲガス流路と冷却水流路との間にそれぞれ熱電素子を介装して構成されている。内燃機関の運転時には、ＥＧＲガス流路内を流通するＥＧＲガスにより熱電素子の高温端面が受熱する一方、冷却水流路内を流通する冷却水により熱電素子の低温端面が放熱する。このため、各熱電素子の高温端面と低温端面との間には温度差が生じ、この温度差を利用して各熱電素子が熱起電力を発生させるようになっている。

国際公開第２００７/０２６４３２号パンフレット

しかしながら、特許文献１に記載されたＥＧＲクーラは、熱電素子による効率的な変換を実現できる構成とは言い難かった。
即ち、熱電素子の熱エネルギから電気エネルギへの変換効率は、熱電素子の配置、数、重量、或いはＥＧＲクーラ内を流通するＥＧＲガス及び冷却水の流路抵抗などの要件が複雑に関係し、これらの各要件をバランスよく満足させなければ良好な変換効率は実現できない。特許文献１のＥＧＲクーラがＥＧＲガス流路と冷却水流路とを多層構造としているのは、各熱電素子の高温端面と低温端面の面積、換言すればＥＧＲガスと冷却水との熱交換に利用される面積を可能な限り広く確保することを重視した結果であるが、その反面、多層構造を採用したことによりＥＧＲガス及び冷却水の流路抵抗が極端に増大している。

具体的には、ＥＧＲクーラ内への流入時においてＥＧＲガスは３方向に、冷却水は４方向に流通方向を変更しながら分流され、ＥＧＲクーラ内からの流出時においてＥＧＲガスは３方向から、冷却水は４方向から流通方向を変更しながら合流する。これらの分流及び合流の際にＥＧＲガス及び冷却水は大きな流路抵抗を生じて円滑な流通が困難になり、結果として、上記のようにＥＧＲガスと冷却水との熱交換面積を確保しているにも拘わらず、熱電素子の変換効率は十分なものとは言い難かった。特にＥＧＲガスに対する流通抵抗の増大は、熱電素子の変換効率への影響だけでなく、ＥＧＲ機能の低下、ひいては内燃機関の性能や排ガス特性の悪化に繋がるものであることから、デメリットの方が大であると言わざるを得なかった。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ＥＧＲガス及び冷却水の流路抵抗の増大を抑制してこれによる弊害を未然に回避した上で、熱電素子の変換効率を向上することができる内燃機関のＥＧＲクーラを提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、内燃機関の排ガスを排気側から吸気側にＥＧＲガスとして環流させる内燃機関のＥＧＲ装置に設けられ、ＥＧＲガスを内部に流通させて冷却水との間で熱交換して冷却する内燃機関のＥＧＲクーラにおいて、断面四角形の筒状をなして内部にＥＧＲガスを流通させるＥＧＲガス流路と、ＥＧＲガス流路の外側の４面にそれぞれ高温端面を密着させるように配置され、低温端面との間の温度差を利用して熱起電力を発生させる熱電素子と、ＥＧＲガス流路に沿った筒状をなしてＥＧＲガス流路を包み込むように配置され、その内側と各熱電素子の低温端面との間に形成された空間内に冷却水を流通させる冷却水流路とを備えたものである。
請求項２の発明は、請求項１において、熱電素子が、ＥＧＲガスの流れ方向において複数に分割され、下流側の熱電素子に比較して上流側の熱電素子が高温端面と低温端面との温度差がより大のときに高い変換効率を発揮するように特性を設定されたものである。

以上説明したように請求項１の発明の内燃機関のＥＧＲクーラによれば、断面四角形の筒状をなすようにＥＧＲガス流路を形成し、このＥＧＲガス流路の外側の４面にそれぞれ熱電素子を配置すると共に、ＥＧＲガス流路に沿った筒状をなす冷却水流路によりＥＧＲガス流路を包み込んで内部に冷却水を流通させるようにした。
このようにＥＧＲガス流路の４面に熱電素子を配置し、このＥＧＲガス流路を包み込むように冷却水流路を配置していることから、ＥＧＲガスに対する高温端面の面積についても、冷却水に対する低温端面の面積についても十分に確保可能となる。また、特許文献１の技術のようにＥＧＲガスや冷却水を分流及び合流させないため流路抵抗の増大を抑制でき、ＥＧＲガスや冷却水を円滑に流通させることにより熱電素子への受熱及び放熱が効率よく行われる。これらの要因により、各熱電素子の変換効率を大幅に向上することができる。

一方、ＥＧＲガス流路と冷却水流路は共にＥＧＲガスや冷却水の流通方向に沿った長い筒状をなすため、ＥＧＲガス流路を包み込むように冷却水流路を配置したときにＥＧＲガス流路に対して冷却水流路をそれほど大型化する必要がなくなり、ＥＧＲクーラ全体をコンパクト化して車両への搭載性を向上することができる。さらに、ＥＧＲガスを円滑に流通させることにより正確なＥＧＲ制御が可能となり、ひいては内燃機関の性能や排ガス特性を向上することができる。
請求項２の発明の内燃機関のＥＧＲクーラによれば、請求項１に加えて、熱電素子をＥＧＲガスの流れ方向で複数に分割し、下流側の熱電素子に比較して上流側の熱電素子を温度差がより大のときに高い変換効率を発揮するように特性を設定した。ＥＧＲガスと冷却水との温度差はＥＧＲガスの流れ方向の上流側から下流側に向けて次第に縮小するが、その温度差に対して常に最適な特性の熱電素子により発電が行われるため、熱電素子全体の変換効率を一層向上することができる。

実施形態のＥＧＲクーラを備えた内燃機関を示す全体構成図である。ＥＧＲクーラを示す断面図である。同じくＥＧＲクーラを示す図２のIII−III線断面図である。別例のＥＧＲクーラを示す図３に対応する断面図である。

以下、本発明を具体化した内燃機関のＥＧＲクーラの一実施形態を説明する。
図１は本実施形態のＥＧＲクーラを備えた内燃機関を示す全体構成図である。
内燃機関１は直列６気筒ディーゼル機関として構成されている。内燃機関１の各気筒には燃料噴射弁２が設けられ、各燃料噴射弁２は共通のコモンレール３から加圧燃料を供給され、機関の運転状態に応じたタイミングで開弁して各気筒の筒内に燃料を噴射する。
内燃機関１の吸気側には吸気マニホールド４が装着され、吸気マニホールド４に接続された吸気通路５には、上流側よりエアクリーナ６、ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａ、インタクーラ８、アクチュエータ９ａにより開閉駆動される吸気絞り弁９が設けられている。また、内燃機関１の排気側には排気マニホールド１０が装着され、排気マニホールド１０には上記コンプレッサ７ａと同軸上に連結されたターボチャージャ７のタービン７ｂが接続されている。タービン７ｂには排気通路１１が接続され、排気通路１１には上流側からアクチュエータ１２ａにより開閉駆動される排気絞り弁１２、排気浄化装置１３、及び図示しない消音器が設けられている。

排気マニホールド１０と吸気マニホールド４とはＥＧＲ通路１４を介して接続され、ＥＧＲ通路１４にはアクチュエータ１５ａにより開閉駆動されるＥＧＲ弁１５、及びＥＧＲクーラ１６が設けられている。ＥＧＲクーラ１６は水路１７を介してラジエータ１８と接続され、水路１７に設けられた冷却水ポンプ１９によりラジエータ１８との間で冷却水を循環させるようになっている。なお、本実施形態では、ラジエータ１８をエンジン冷却用のものと共用しているが、ＥＧＲクーラ専用のラジエータを備えるようにしてもよい。
内燃機関１の運転中においてエアクリーナ６を経て吸気通路５内に導入された吸気はターボチャージャ７のコンプレッサ７ａにより加圧された後にインタクーラ８、吸気絞り弁９、吸気マニホールド４を経て各気筒に分配され、各気筒の吸気行程で筒内に導入される。筒内では所定のタイミングで燃料噴射弁２から燃料が噴射されて圧縮上死点近傍で着火・燃焼し、燃焼後の排ガスは排気マニホールド１０を経てタービン７ｂを回転駆動した後に排気絞り弁１２、排気浄化装置１３、消音器を経て外部に排出される。

上記吸気絞り弁９、排気絞り弁１２、ＥＧＲ弁１５の各アクチュエータ９ａ，１２ａ，１５ａ、燃料噴射弁２などは図示しないＥＣＵ（電子コントロールユニット）に接続され、センサ類からの検出情報に基づいてＥＣＵにより駆動制御される。例えばＥＣＵは機関回転速度や負荷に基づいて燃料噴射弁２の噴射量及び噴射時期を制御して内燃機関１を運転すると共に、アクチュエータ１５ａによりＥＧＲ弁１５の開度を制御して排気側から吸気側に還流されるＥＧＲ量を調整する。
次に、上記したＥＧＲクーラ１６の構成について詳述する。
図２はＥＧＲクーラ１６を示す断面図、図３は同じくＥＧＲクーラ１６を示す図２のIII−III線断面図である。

全体としてＥＧＲクーラ１６は、ＥＧＲガスが流通するＥＧＲガス流路２１の周囲を冷却水が流通する冷却水流路２２により包み込んだ２重構造をなしている。
ＥＧＲガス流路２１は金属製の板材により製作されて断面正方形の筒状をなしている。ＥＧＲガス流路２１の上流端２１ａは漏斗状をなして排気側のＥＧＲ通路１４に接続され、同じく下流端２１ｂは漏斗状をなして吸気側のＥＧＲ通路１４に接続され、排気側からのＥＧＲガスがＥＧＲガス流路２１内を経て吸気側に流通するようになっている。
ＥＧＲガス流路２１内はガス流れ方向と直交する縦横方向にメッシュ状に区画され、これによりＥＧＲガス流路２１内においてＥＧＲガスはメッシュで区画された多数の細長い通路内をそれぞれ案内される。なお、メッシュ断面は流通方向の何れの箇所も同一である。上記のようにＥＧＲガス流路２１はメッシュ部分も含めて熱伝導の良好な金属製のため、ＥＧＲガス流路２１の中心部を流通するＥＧＲガスの熱も、上流端２１ａから下流端１２ｂまで流通する過程で効率よくＥＧＲガス流路２１の外側に伝達される。

ここで、ＥＧＲガス流路２１内がメッシュ状に区画されていることから、ＥＧＲガスはＥＧＲガス流路２１の上流端で各細長い通路にそれぞれ分流し、各通路内を流通後に下流端で合流することになるが、これらの分流や合流ではＥＧＲガスの流通方向が変わらないため、流路抵抗を増大させる要因にはならない。但し、ＥＧＲガス流路２１の構成はこれに限ることはなく、例えば内部をメッシュ状に区画することなく１本の広い通路としてもよい。
ＥＧＲガス流路２１の外側の４面には、それぞれ熱電素子２３が配設されている。これらの熱電素子２３は、その一側面である高温端面２３ａと他側面である低温端面２３ｂとの間の温度差を利用してゼーベック効果により熱起電力を発生させる機能を奏し、高温端面２３ａ側をＥＧＲガス流路２１の外側に密着させるように配設されている。

ＥＧＲガス流路２１の各面毎に、熱電素子２３はＥＧＲガスの流れ方向に沿って３枚列設されており（計１２枚）、これらの熱電素子２３によりＥＧＲガス流路２１の各面のほぼ全体が覆われている。ここで、各面毎の３枚の熱電素子２３はＥＧＲガスの流れ方向に応じて特性を異にし、各面の最も上流側の熱電素子２３（図２の右側）は高温端面２３ａと低温端面２３ｂとの温度差が大であるときに高い変換効率を発揮し、中流側の熱電素子２３は高温端面２３ａと低温端面２３ｂとの温度差が中であるときに高い変換効率を発揮し、最も下流側の熱電素子２３（図２の左側）は高温端面２３ａと低温端面２３ｂとの温度差が小であるときに高い変換効率を発揮するように設定されている。
但し、各熱電素子２３の設定はこれに限ることはなく、例えば全て同一特性の熱電素子２３を用いてもよいし、３枚に分割することなく２分割や４分割にしたり、或いは１枚の大きな熱電素子２３を用いたりしてもよい（計４枚）。

ＥＧＲガス流路２１の周囲には、金属製の板材により製作された断面正方形の筒状をなす隔壁２４が配設され、隔壁２４の内面は各熱電素子２３の低温端面２３ｂに密着している。隔壁２４の上流側及び下流側は内周側、即ちＥＧＲガス流路２１側に折曲されることにより各熱電素子２３を内部に封止している。隔壁２４を含むＥＧＲガス流路２１全体は、金属製の板材により製作された断面正方形状の筒状をなす冷却水流路２２により包み込まれ、冷却水流路２２の上流端及び下流端は蓋体２２ａ，２２ｂにより閉塞されている。
これにより冷却水流路２２内、より詳しくは隔壁２４の外側全体と冷却水流路２２の内側全体との間には、図３に示すように断面四角環状をなす液密を保持された空間が形成され、この空間内に冷却水が貯留されている。冷却水流路２２の上流端の一側及び下流端の一側にはそれぞれ上記した水路１７が接続され、これらの水路１７を介して内部の冷却水がラジエータ１８との間で循環するようになっている。
なお、上記隔壁２４は必ずしも必要ではなく、これを省略してもよい。この場合には、冷却水流路２２内において各熱電素子２３の低温端面２３ｂが直接冷却水に晒されることになる。

ここで、本実施形態では図２に矢印で示すように、冷却水流路２２内での冷却水の流れ方向をＥＧＲガス流路２１内でのＥＧＲガスの流れ方向と一致させている（右側より左側）。このため、ＥＧＲガス流路２１の上流側ではＥＧＲガスと冷却水との温度差が最も大となり、下流側ほど温度差が縮小することになる。但し、ＥＧＲガス及び冷却水の流れ方向はこれに限ることはなく、逆方向に流通させるようにしてもよい。
図示はしないが各熱電素子２３は電圧調整器を介して車両に搭載されたバッテリに接続され、後述するようにゼーベック効果により発電した電力がバッテリに充電されたり、オルタネータからの発電電力と共に車両の各電気負荷に供給されたりするようになっている。

そして、本実施形態では、ＥＧＲガス流路２１の通路断面積が一般的なＥＧＲクーラと略同一に設定され、且つ、その長さも一般的なＥＧＲクーラと略同一に設定されており、結果として、ＥＧＲガス流路２１の外寸は一般的なＥＧＲクーラの外寸と略同一となっている。また、このＥＧＲガス流路２１の外側に熱電素子２３が配置されているが、各熱電素子２３は４面に密着しているため占有スペースをほとんど必要としない。
さらに、図２に示すようにＥＧＲガスと冷却水とを互いに平行に流通させるべく、ＥＧＲガス流路２１と冷却水流路２２は共に流通方向に沿った長い筒状をなしている。このため、ＥＧＲガス流路２１を包み込むように冷却水流路２２を配置したときにＥＧＲガス流路２１に対して冷却水流路２２をそれほど大型化する必要がなくなり、結果としてＥＧＲクーラ１６全体の外寸も一般的なＥＧＲクーラからほとんど増加せずコンパクトなものとなっている。

次に、以上のように構成された本実施形態の内燃機関のＥＧＲクーラ１６の作用を説明する。
内燃機関１の排ガスは、ＥＧＲ弁１５の開度に応じて排気マニホールド１０からＥＧＲ通路１４を経て吸気マニホールド４にＥＧＲガスとして環流され、その際にＥＧＲクーラ１６のＥＧＲガス流路２１内を流通する。また、冷却水流路２２内の冷却水は水路１７を経てラジエータ１８との間で循環している。このため、ＥＧＲガス流路２１の４面に配置された各熱電素子２３の高温端面２３ａは高温のＥＧＲガスから受熱し、低温端面２３ｂは低温の冷却水に放熱し、各熱電素子２３は温度差を利用して熱起電力を発生させる。また、結果としてＥＧＲガスの熱は熱電素子２３を介して冷却水側に放熱されることになり、冷却後のＥＧＲガスが内燃機関１の吸気側に環流される。

そして、本実施形態では、ＥＧＲガス流路２１の４面に熱電素子２３を配置し、このＥＧＲガス流路２１を包み込むように冷却水流路２２を配置していることから、ＥＧＲガスに対する高温端面２３ａの面積についても、冷却水に対する低温端面２３ｂの面積についても十分に確保でき、広い面積をＥＧＲガスと冷却水との熱交換に利用することができる。
また、上記のようにＥＧＲガス流路２１の通路断面積は一般的なＥＧＲクーラと遜色なく十分に確保されており、且つ、特許文献１の技術のように上流端での分流や下流端でのＥＧＲガスの合流に起因して流路抵抗が増大することもない。よって、ＥＧＲガス流路２１内においてＥＧＲガスは上流側から下流側へと円滑に流通し、ＥＧＲガスから各熱電素子２３への受熱が効率よく行われる。

冷却水流路２２についても同様であり、冷却水は分流や合流することなく冷却水流路２２内を流通することから流路抵抗は増大しない。よって、冷却水流路２２内において冷却水は上流側から下流側へと円滑に流通し、各熱電素子２３から冷却水への放熱が効率よく行われる。
結果としてＥＧＲガス流路２１の４面に配置された各熱電素子２３は、高い効率をもって熱エネルギを電気エネルギに変換し、発電された電力を車両内で有効利用することにより燃費低減に大きく貢献することができる。

特に本実施形態では、ＥＧＲガス流路２１の流れ方向の位置に応じて熱電素子２３の特性を異にしているため、一層効率的な変換を実現することができる。
即ち、ＥＧＲガス流路２１内の上流側に流入したＥＧＲガスと冷却水流路２２内に流入した冷却水とは、熱電素子２３を挟んで熱交換しながらそれぞれの流路２１，２２内を下流側へと流通し、その温度差は次第に縮小していく。一方、上流側の熱電素子２３は大きな温度差に適した特性（温度差大で高効率）を有し、中流側の熱電素子２３は中程度の温度差に適した特性を有し、下流側の熱電素子２３は小さな温度差に適した特性を有する。このため上流側から下流側に向けて次第に縮小する温度差に対して、常に最適な特性の熱電素子２３により発電が行われることになり、ＥＧＲガスが有する熱エネルギを無駄なく電気エネルギに変換でき、もって、熱電素子２３全体の変換効率を一層向上することができる。

一方、ＥＧＲガスや冷却水の流通抵抗が増大しないため、ＥＧＲガス流路２１や冷却水流路２２の断面積を必要以上に拡大する必要がなくなり、結果として上記のようにＥＧＲクーラ１６全体のコンパクト化を達成でき、車両へのＥＧＲクーラ１６の搭載性を向上することができる。
さらに、ＥＧＲガスに対する流路抵抗の増大はＥＧＲ環流量を制限する要因になるため、ＥＧＲ弁１５の開度に応じた正確なＥＧＲ制御が困難になってＥＧＲ機能の低下、ひいては内燃機関１の性能や排ガス特性の悪化に繋がる。本実施形態ではＥＧＲガスの流路抵抗を低減することにより常に適切なＥＧＲ制御を実現でき、これらの不具合を未然に防止することができる。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、ディーゼル機関１のＥＧＲクーラとして具体化したが、内燃機関の種別はこれに限定されるものではなく、例えばガソリン機関に適用してもよい。
また、ＥＧＲクーラ１６の構造についても、上記実施形態に限るものではなく種々に変更可能である。例えば、上記実施形態では、図３に示すようにＥＧＲガス流路２１の外側全体を包み込む完全な環状断面をなすように冷却水流路２２を形成したが、図４に示すように構成してもよい。この別例では、ＥＧＲガス流路２１の外側４面に配置された各熱電素子２３とそれぞれ対応するように４本の冷却水流路２２を形成している。この場合であっても各熱電素子２３の低温端面２３ｂと冷却水との接触面積は図３と相違しないことから、上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

１内燃機関
１６ＥＧＲクーラ
２１ＥＧＲガス流路
２２冷却水流路
２３熱電素子
２３ａ高温端面
２３ｂ低温端面

Claims

内燃機関の排ガスを排気側から吸気側にＥＧＲガスとして環流させる内燃機関のＥＧＲ装置に設けられ、該ＥＧＲガスを内部に流通させて冷却水との間で熱交換して冷却する内燃機関のＥＧＲクーラにおいて、
断面四角形の筒状をなして内部に上記ＥＧＲガスを流通させるＥＧＲガス流路と、
上記ＥＧＲガス流路の外側の４面にそれぞれ高温端面を密着させるように配置され、低温端面との間の温度差を利用して熱起電力を発生させる熱電素子と、
上記ＥＧＲガス流路に沿った筒状をなして該ＥＧＲガス流路を包み込むように配置され、その内側と上記各熱電素子の低温端面との間に形成された空間内に上記冷却水を流通させる冷却水流路と
を備えたことを特徴とする内燃機関のＥＧＲクーラ。
上記熱電素子は、上記ＥＧＲガスの流れ方向において複数に分割され、下流側の熱電素子に比較して上流側の熱電素子が上記高温端面と低温端面との温度差がより大のときに高い変換効率を発揮するように特性を設定されたことを特徴とする請求項１記載の内燃機関のＥＧＲクーラ。