JP4273890B2 - Waste heat recovery device - Google Patents

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Description

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。   The present invention relates to an exhaust heat recovery apparatus that is used in vehicles such as hybrid vehicles and that recovers heat energy contained in gas in order to convert heat energy contained in gas into electric energy.

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。
特開平６−８１６３９号公報 Exhaust gas discharged from an automobile engine contains thermal energy, so if the exhaust gas is discarded as it is, energy is wasted. Therefore, there is a technique in which the thermal energy contained in the exhaust gas is recovered by an exhaust heat recovery device, converted into electric energy, and charged, for example, in a battery. An exhaust heat recovery device that recovers thermal energy in exhaust gas is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 6-81639. The exhaust heat recovery apparatus includes a catalyst provided in an exhaust passage and a power generation unit that recovers electrical energy from the exhaust heat, and a bypass passage that bypasses the power generation unit is provided in the exhaust passage. Further, an exhaust flow rate adjusting valve for adjusting the exhaust gas flow rate is provided, and the exhaust gas flow rate is adjusted by the exhaust flow rate adjusting valve so as not to exceed the heat resistance temperature of the power generation unit.
JP-A-6-81639

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。   However, in the exhaust heat recovery apparatus disclosed in Patent Document 1 above, in order not to exceed the heat resistance temperature of the power generation unit, the exhaust gas that has not been subjected to heat recovery is exhausted through the bypass passage as it is. End up. In this case, the energy contained in the exhaust gas may be wasted.

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。   In addition, the catalyst provided in the exhaust gas flow path cannot fully exhibit the purification performance of the catalyst unless the temperature is raised to a catalyst activation temperature that is higher than normal temperature. On the other hand, if the exhaust gas flowing through the catalyst is below the catalyst activation temperature, the catalyst falls below the catalyst activation temperature, which causes a reduction in the purification performance of the catalyst.

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。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an exhaust heat recovery device that increases the efficiency of recovering heat from exhaust gas and that does not reduce the purification performance of the catalyst.

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。   The exhaust heat recovery apparatus according to the present invention that has solved the above problems includes a thermoelectric conversion element that generates power by thermoelectric conversion using the heat of a gas released from a heat source, and in the exhaust heat recovery apparatus that recovers the heat of the gas, A first thermoelectric conversion element, a second thermoelectric conversion element that performs thermoelectric conversion at a lower temperature than the first thermoelectric conversion element, a catalyst that purifies the gas, and a flow path of the gas discharged from the heat source And a selection means for selecting the flow direction of the gas. When the first flow path is selected by the selection means, the gas flows in the flow path in the order of the first thermoelectric conversion element, the second thermoelectric conversion element, and the catalyst. When the second channel is selected, the gas flows in the channel in the order of the catalyst, the second thermoelectric conversion element, and the first thermoelectric conversion element.

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。   In the exhaust heat recovery apparatus according to the present invention, a first flow path and a second flow path are formed, and selection means for selecting these flow paths is provided. In addition, when the first flow path is selected, the exhaust gas can be circulated through the first thermoelectric conversion element rather than the catalyst. Therefore, normally, the exhaust gas is circulated through the first flow path and the first thermoelectric conversion element is used. The heat energy in the exhaust gas is efficiently recovered. Further, when the second flow path is selected, the exhaust gas is circulated through the catalyst before the first thermoelectric conversion element. When this second flow path is selected, the exhaust gas from which the heat of the exhaust gas is not recovered by the thermoelectric conversion element can be circulated through the catalyst. Accordingly, the catalyst temperature can be easily maintained at the catalyst activation temperature, and the purification performance of the catalyst can be maintained. Further, when the catalyst is cold, for example, at the start of an automobile, the temperature of the catalyst can be quickly raised to the catalyst activation temperature.

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。   Here, the temperature of the gas entering the catalyst is calculated based on the heat of the gas released from the heat source and the amount of heat exchange between the first thermoelectric conversion element and the second thermoelectric conversion element, and the gas flowing through the catalyst is calculated. It is preferable to control the selection means based on the temperature and the catalyst activation temperature.

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。   In this way, the temperature of the catalyst is maintained at the catalyst activation temperature by selecting the first channel or the second channel by the selection means based on the temperature of the gas flowing through the catalyst and the catalyst activation temperature. It is possible to efficiently recover the thermal energy in the exhaust gas while suitably maintaining the purification action.

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。   According to the exhaust heat recovery apparatus according to the present invention, it is possible to increase the efficiency of recovering heat from the exhaust gas and not to reduce the purification performance of the catalyst.

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。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

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。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an exhaust heat recovery apparatus according to an embodiment of the present invention.

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。   As shown in FIG. 1, the exhaust heat recovery apparatus 1 according to this embodiment includes an exhaust passage 10 connected to an engine 2. A high temperature stack 21 that is a first thermoelectric conversion element, a low temperature stack 22 that is a second thermoelectric conversion element, and a catalyst 23 are attached to the exhaust flow path 10.

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）。   The high-temperature stack 21 includes stainless-steel fins, and has a capability of efficiently recovering heat when the exhaust gas flowing through the exhaust passage 10 is in a relatively high temperature state. The high-temperature stack 21 is provided with a refrigerant circulation pipe for circulating a refrigerant. Thermoelectric exchange is performed by circulating the refrigerant through the refrigerant circulation pipe by a pump (ON state). Conversely, if the refrigerant is not circulated, thermoelectric exchange is not performed in the high temperature stack 21 (OFF state).

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）。   Further, the low temperature stack 22 is provided with aluminum fins, and the heat recovery is efficiently performed when the temperature of the exhaust gas is lower than the temperature of the exhaust gas at which the heat recovery is efficiently performed in the high temperature stack 21. It has the performance to do. Similarly to the high temperature stack 21, the low temperature stack 22 performs thermoelectric exchange (ON state) by circulating the refrigerant through the refrigerant circulation pipe by the pump (ON state), and thermoelectric exchange is not performed unless the refrigerant is circulated ( OFF state).

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。   Furthermore, a so-called three-way catalyst is used as the catalyst, and purifies substances such as nitrogen oxides, carbon monoxide, and hydrocarbons contained in the exhaust gas.

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。   Moreover, the exhaust flow path 10 is provided with the 1st flow part 11, the 2nd flow part 12, the 3rd flow part 13, the 4th flow part 14, and the 5th flow part 15, and the 2nd flow part 12-2nd. The five circulation parts 15 are formed in an annular shape. One end of the first circulation part 11 is connected to the engine 2, and the exhaust gas discharged from the engine 2 is supplied to the first circulation part 11. The other end of the first flow part 11 is connected to the midway position of the flow path of the second flow part 12.

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。   One end portion of the second flow portion 12 is connected to one end portion of the third flow portion 13, and a high temperature stack 21 is provided in the middle of the flow path of the third flow portion 13. Further, the other end of the third circulation part 13 is connected to one end of the fourth circulation part 14, and a low temperature stack 22 is provided in the middle of the flow path of the fourth circulation part 14.

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。   Furthermore, the other end of the fourth circulation part 14 is connected to one end of the fifth circulation part 15, and a catalyst 23 is provided in the middle of the flow path of the fifth circulation part 15. Further, the other end portion of the second circulation portion 12 is connected to the other end portion of the fifth circulation portion 15. And the connection position of the 2nd distribution part 12 and the 3rd distribution part 13 and the connection position of the 5th distribution part 15 and the 2nd distribution part 12 are connected with the muffler which is not illustrated used as an exhaust-gas exhaust port of a vehicle, respectively. The exhaust circulation parts 16 and 17 are connected. The first exhaust circulation part 16 and the second exhaust circulation part 17 merge at a position upstream from the exhaust gas discharge port, and the merged exhaust gases are discharged together from the exhaust gas discharge port.

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。   A flow path switching first valve (hereinafter referred to as “first valve”) 31 is provided at a connection portion between the first circulation portion 11 and the second circulation portion 12. In addition, a flow path switching second valve (hereinafter referred to as “second valve”) 32 is provided at a connection portion between the second circulation portion 12 and the third circulation portion 13, and the fifth circulation portion 15 and the second circulation portion 15. A flow path switching third valve (hereinafter referred to as “third valve”) is provided at a connection portion with the circulation portion 12. These first valve 31 to third valve 33 are the selection means of the present invention.

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。   The first valve 31 switches whether the first flow part 11 is connected to the third flow part 13 side or the fifth flow part 15 side in the second flow part 12. The second valve 32 switches whether the third circulation part 13 is connected to the second circulation part 12 or the first exhaust circulation part 16. The third valve 33 switches whether the fifth circulation part 15 is connected to the second circulation part 12 or the second exhaust circulation part 17.

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。   The control device 3 is electrically connected to each of the first valve 31 to the third valve 33. Further, the high temperature stack 21 and the low temperature stack 22 are electrically connected to the control device 3, and the high temperature stack 21 and the low temperature stack 22 output the respective heat exchange amounts to the control device 3. Yes.

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。   The control device 3 calculates the temperature of the exhaust gas from the heat exchange amount output from the high temperature stack 21 and the low temperature stack 22. Further, the control device 3 is connected to a rotation speed sensor (not shown) provided in the engine 2 and a throttle opening sensor provided in the accelerator pedal. The engine speed is output to the control device 3 from the engine speed sensor, and the throttle opening detected from the depression amount of the accelerator pedal is output from the throttle opening sensor. The control device 3 controls the opening / closing and stacking of the first valve 31 to the third valve 33 based on the catalyst activation temperature of the catalyst 23 stored in advance in addition to the exhaust gas temperature, the engine speed, and the throttle opening. ON / OFF control of 21 and 22 is performed.

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。   The operation of the exhaust heat recovery apparatus 1 according to this embodiment having the above configuration will be described.

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。   In the exhaust heat recovery apparatus 1 according to the present embodiment, based on the temperature of the exhaust gas, the exhaust passage 10 is either the clockwise first passage shown in FIG. 2 or the counterclockwise second passage shown in FIG. Is selected. When the first flow path shown in FIG. 2 is selected, the first circulation part 11 and the third circulation part 13 side in the second circulation part 12 are connected by the first valve 31. Further, the first exhaust circulation part 16 is closed by the second valve 32 and the second circulation part 12 and the third circulation part 13 are connected. Further, the opening degree of the third valve 33 is adjusted so that the fifth circulation part 15 and the second exhaust circulation part 17 are mainly connected.

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。   Thus, by adjusting the opening degree of each valve 31 to 33, the exhaust gas discharged from the engine 2 is, as shown in FIG. 2, the first circulation part 11, the second circulation part 12, and the third circulation. The parts 13, the fourth circulation part 14, and the fifth circulation part 15 are circulated in this order, and are discharged from the second exhaust circulation part 17 to the exhaust gas discharge port. Therefore, the exhaust gas flows in the order of the high temperature stack 21, the low temperature stack 22, and the catalyst.

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。   When the second flow path shown in FIG. 3 is selected, the control device 3 connects the first flow part 11 and the fifth flow part 15 side in the second flow part 12 by the first valve 31. Further, the second exhaust circulation part 17 is closed by the third valve 33, and the second circulation part 12 and the fifth circulation part 15 are connected. Further, the opening degree of the second valve 32 is adjusted so that the third circulation part 13 and the first exhaust circulation part 16 are mainly connected.

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。   Thus, by adjusting the opening degree of each valve 31-33, the exhaust gas discharged | emitted from the engine 2 is the 1st distribution part 11, the 2nd distribution part 12, the 5th distribution part, as shown in FIG. 15, the fourth flow passage 14, and the third flow part 13, and are discharged from the first exhaust flow part 16 to the exhaust gas discharge port. Therefore, the exhaust gas flows in the order of the catalyst 23, the low temperature stack 22, and the high temperature stack 21.

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。   In the control device 3, the temperature of the exhaust gas entering the catalyst 23 is calculated based on the heat exchange amount output from the high temperature stack 21 and the low temperature stack 22. Then, depending on whether or not the temperature of the exhaust gas is equal to or higher than the catalyst activation temperature, the first flow path shown in FIG. 2 or the second flow path shown in FIG. 3 is selected, and the valves 31 to 33 are controlled to open and close.

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。   Specifically, when it is determined that the temperature of the exhaust gas entering the catalyst 23 is equal to or higher than the catalyst activation temperature even if the first flow path is selected, the first flow path shown in FIG. 2 is selected. When the first flow path is selected, the exhaust gas having a high temperature flows through the high temperature stack 21 provided in the third flow portion 13. The high temperature stack 21 can efficiently absorb heat energy from the exhaust gas having a high temperature.

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。   Next, the exhaust gas circulates in the low temperature stack 22 provided in the fourth circulation portion 14. The exhaust gas flowing through the low temperature stack 22 is recovered in thermal energy by the high temperature stack 21, and its temperature is lowered. With this lowered temperature, the thermal energy can be efficiently recovered by the low temperature stack 22.

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。   Subsequently, the exhaust gas flows through the catalyst 23 provided in the fifth flow part 15. As the exhaust gas flows through the catalyst 23, substances such as nitrogen oxides are purified. At this time, since the exhaust gas has a temperature higher than the catalyst activation temperature, the catalyst 23 can be maintained at a temperature higher than the catalyst activation temperature. Therefore, the purification performance of the catalyst 23 can be prevented from being lowered.

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。   On the other hand, when the first flow path is selected, when the temperature of the exhaust gas entering the catalyst 23 becomes lower than the catalyst activation temperature, the second flow path shown in FIG. 3 is selected. When the second flow path is selected, the exhaust gas flows in the direction of the catalyst 23 provided in the fifth flow part 15. Since the exhaust gas has not yet been recovered by the stacks 21 and 22, the temperature of the exhaust gas is close to the catalyst activation temperature even if it is lower than the catalyst activation temperature. Therefore, it is possible to prevent the purification effect of the catalyst from being lowered.

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。   The exhaust gas flowing through the catalyst 23 flows through the low temperature stack 22. Here, since thermal energy still remains in the exhaust gas, the low-temperature stack 22 can recover this thermal energy. Further, when a large amount of thermal energy remains in the exhaust gas and the temperature of the exhaust gas is high, the low temperature stack 22 is turned off and the thermal energy is recovered by the high temperature stack 21. You can also.

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。   Next, control using the engine speed and the throttle opening will be described.

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。   When the engine speed is high and the throttle opening is large, the exhaust gas temperature is high. At this time, since the temperature of the exhaust gas is usually equal to or higher than the catalyst activation temperature, the exhaust gas is circulated with the exhaust passage 10 as the first passage shown in FIG.

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。   Further, when the engine speed decreases and the throttle opening becomes smaller, the temperature of the exhaust gas decreases. Based on the state at this time, in addition to the selection of the first flow path or the second flow path in the exhaust flow path 10, ON / OFF control of the stacks 21 and 22 is also performed. At this time, in order to increase the heat recovery efficiency in the stacks 21 and 22 while maintaining the temperature of the exhaust gas entering the catalyst 23 at or above the catalyst activation temperature, either the high temperature stack 21 or the low temperature stack 22 or Control is performed by determining whether more heat energy can be recovered and the amount of power generation can be increased if the heat energy is recovered by both.

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。 This control is performed with reference to the map shown in FIG. The map shown in FIG. 4 uses the temperatures T CAT-IN-1 to T CAT-IN-3 of the exhaust gas entering the catalyst determined based on the following formulas (1) to (3) as threshold values, and the engine 2 Are defined as four states A to D.

Figure 0004273890
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。
Figure 0004273890
 As shown in FIG. 4, when the engine speed is higher than the curve C <b> 1 obtained by the equation (1) or the throttle opening is large, the state of the engine 2 becomes the state D. Further, when the engine speed or the throttle opening is equal to or less than the curve C1 obtained by the expression (1), the engine speed is higher than the curve C2 obtained by the expression (2), or the throttle opening is large. Is the state C of the engine 2.

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。   Further, when the engine speed or the throttle opening is equal to or less than the curve C2 obtained by the expression (2), the engine speed is higher than the curve C3 obtained by the expression (3), or the throttle opening is large. Is the state B of the engine 2. Then, when the engine speed or the throttle opening is in a state equal to or less than the curve C3 obtained by the equation (3), the state of the engine 2 becomes the state A.

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。   An engine speed and a throttle opening sensor (not shown) detect the engine speed and the throttle opening, respectively, and output them to the control device 3. The control device 3 determines the current engine state by applying the output engine speed and throttle opening to the map shown in FIG.

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。 As a result, when it is determined that the state of the engine 2 is in the state A, the temperature of the exhaust gas is low, and the temperature of the exhaust gas entering the catalyst 23 becomes equal to or lower than the catalyst activation temperature TCAT. The exhaust gas is circulated in the order of the catalyst 23, the low temperature stack 22, and the high temperature stack 21. Thus, the catalyst 23 so as not to fall below the catalyst activation temperature T CAT.
At this time, thermal energy can also be recovered from the exhaust gas discharged from the catalyst 23, so that energy contained in the exhaust gas can be prevented from being wasted.

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。   In the state A, both stacks 21 and 22 can be turned on, but the thermal energy contained in the exhaust gas is too small, and the thermal energy commensurate with the power consumed by the pumps driving the stacks 21 and 22 There are cases where it cannot be recovered. In such a case, only the low temperature stack 22 may be turned on, or only the high temperature stack 21 may be turned on.

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。 Further, when the state of the engine 2 is in the state B, the temperature of the exhaust gas is low to some extent, and if the high temperature stack 21 is circulated, the temperature of the exhaust gas entering the catalyst 23 falls below the catalyst activation temperature TCAT . In contrast, it does not fall below the catalyst activation temperature T CAT be recovered thermal energy at a low temperature stack 22.

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。 Therefore, the first flow path is selected, the high temperature stack 21 is turned off, and only the low temperature stack 22 is turned on. With this control state, the exhaust gas flows in the order of the high temperature stack 21, the low temperature stack 22, and the catalyst 23, but heat recovery is not performed in the high temperature stack 21, and only in the low temperature stack 22. Heat recovery is performed. Thus, while efficiently recovering thermal energy with the low temperature stack 22, the temperature of the exhaust gas entering the catalyst 23 can be maintained at a temperature equal to or higher than the catalyst activation temperature TCAT , and the purification performance of the catalyst is suitably maintained. can do.

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。 Furthermore, when in the state C, the temperature of the exhaust gas is somewhat high, and the temperature of the exhaust gas entering the catalyst 23 can be maintained at the catalyst activation temperature T CAT or higher even if the high temperature stack 21 is circulated. However, if the exhaust gas is also passed through the low temperature stack 22, the temperature of the exhaust gas entering the catalyst 23 will be lower than the catalyst activation temperature TCAT .

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。 In this case, the first flow path is selected, the high temperature stack 21 is turned on, and the low temperature stack 22 is turned off. By adopting such a control state, the exhaust gas flows in the order of the high temperature stack 21, the low temperature stack 22, and the catalyst 23 as in the state B. Further, heat recovery is performed in the high temperature stack 21 and heat recovery is not performed in the low temperature stack 22. Thus, while efficiently recovering heat with the high-temperature stack, the temperature of the exhaust gas entering the catalyst 23 can be maintained at a temperature equal to or higher than the catalyst activation temperature TCAT , and the purification performance of the catalyst can be suitably maintained. it can.

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。 And when it is in the state D, the temperature of the exhaust gas is high, and the temperature of the exhaust gas entering the catalyst 23 can be maintained at a temperature equal to or higher than the catalyst activation temperature T CAT even if Natsu recovery is performed in both stacks 21 and 22. it can.

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。 Therefore, in this case, the first flow path is selected and both stacks 21 and 22 are turned ON. In such a control state, the exhaust gas flows in the order of the high temperature stack 21, the low temperature stack 22, and the catalyst 23 in the same manner as in the above states B and C, and heat recovery is performed in both the stacks 21 and 22, respectively. Thus, while efficiently recovering heat with the high-temperature stack, the temperature of the exhaust gas entering the catalyst 23 can be maintained at a temperature equal to or higher than the catalyst activation temperature TCAT , and the purification performance of the catalyst can be suitably maintained. it can.

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。It is a typical lineblock diagram of an exhaust heat recovery device concerning an embodiment of the present invention. 第一流路となる排気流路の模式的構成図である。It is a typical block diagram of the exhaust flow path used as a 1st flow path. 第二流路となる排気流路の模式的構成図である。It is a typical block diagram of the exhaust flow path used as a 2nd flow path. 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。It is a map for performing the control determination according to the state of the engine.

符号の説明Explanation of symbols

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。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Waste heat recovery apparatus, 2 ... Engine, 3 ... Control apparatus, 10 ... Exhaust flow path, 11 ... 1st flow part, 12 ... 2nd flow part, 13 ... 3rd flow part, 14 ... 4th flow part, DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 ... 5th flow part, 16 ... 1st exhaust flow part, 17 ... 2nd exhaust flow part, 21 ... High temperature stack, 22 ... Low temperature stack, 23 ... Catalyst, 31 ... 1st valve, 32 ... 2nd valve 33 ... Third valve.

Claims (2)

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。 In a waste heat recovery device that includes a thermoelectric conversion element that generates power by thermoelectric conversion using the heat of a gas released from a heat source, and recovers the heat of the gas,
In the flow path of the gas discharged from the heat source, a first thermoelectric conversion element, a second thermoelectric conversion element that performs thermoelectric conversion at a lower temperature than the first thermoelectric conversion element, a catalyst that purifies the gas, and the flow Selecting means for selecting the flow direction of the gas flowing in the road,
When the first flow path is selected by the selection means, the gas flows through the flow path in the order of the first thermoelectric conversion element, the second thermoelectric conversion element, and the catalyst,
When the second flow path is selected, the exhaust heat recovery apparatus is configured so that the gas flows in the flow path in the order of the catalyst, the second thermoelectric conversion element, and the first thermoelectric conversion element. 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。   Based on the heat of the gas released from the heat source and the amount of heat exchange between the first thermoelectric conversion element and the second thermoelectric conversion element, the temperature of the gas entering the catalyst is calculated, and the temperature flowing through the catalyst and the catalyst The exhaust heat recovery apparatus according to claim 1, wherein the selection unit is controlled based on an activation temperature.
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