JP2006266212A - Exhaust heat power generation plant of internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は内燃機関の排熱発電装置に関するものである。 The present invention relates to an exhaust heat power generation apparatus for an internal combustion engine.
内燃機関においては,高温の排気ガスが大気に放出されることによる熱エネルギの損失が大きいものである。このため,特許文献1には,熱電変換素子(熱電変換モジュール)を用いて,無駄に捨てられていた熱エネルギの一部を電気エネルギとして回収するものが提案されている。すなわち,熱電変換素子は,半導体を利用して構成されて,その一面側が高温側面とされると共に,他面側が低温側面とされて,この高温側面と低温側面との間の温度差によって発電を行うものとなっており,特許文献1に記載のものでは,このような熱電変換素子を内燃機関本体と排気マニホールドとの間に介在させたものとなっている。より具体的には,特許文献1に記載のものでは,熱電変換素子の高温側面を排気マニホールド側に位置させると共に,低温側面を内燃機関本体側(排気ポートの開口端面側)に位置するように配設して,排気マニホールドの有する高熱を,熱電変換素子を介して内燃機関本体内に形成されている冷却水通路内の冷却水に逃がすようにしたものとなっている。このように,特許文献1に記載のものでは,熱電変換素子に温度差を生じさせる場合に,冷却水通路を流れる冷却水によって冷却される内燃機関本体を低温側物体として利用し,排気ガスによって高温とされる排気マニホールドを高温側物体として利用したものとなっている。
しかしながら,特許文献1に記載のものでは,大気に大きく露出される関係上大気の冷却作用を大きく受ける排気マニホールドを高温側物体として利用しているため,また排気ガスは排気マニホールドに排出されるまでに少なからず温度低下をきたすために,排気ガスの有する高温を十分に活かした発電とはならない。 However, in the thing of patent document 1, since the exhaust manifold which receives air | atmosphere cooling effect | action largely is utilized as a high temperature side object on the relationship exposed greatly to air | atmosphere, and exhaust gas is discharged to an exhaust manifold. However, in order to bring about a temperature drop, the power generation does not take full advantage of the high temperatures of exhaust gas.
本発明は以上のような事情を勘案してなされたもので,その目的は,排気ガスの有する高温をより十分に活かした発電を行えるようにした内燃機関の排熱発電装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an exhaust heat power generation apparatus for an internal combustion engine that can perform power generation utilizing the high temperature of exhaust gas more fully. is there.
前記目的を達成するため,本発明にあっては次のような解決手法を採択してある。すなわち,特許請求の範囲における請求項1に記載のように,
内燃機関の排気ポート内周面に,排気ポート内に開口する収納凹部が形成され,
前記収納凹部内に,一面側が高温側面とされると共に他面側が低温側面とされて該高温側面と低温側面との間の温度差によって発電する熱電変換素子が,該高温側面が排気ポート内に臨む状態でもって配設されている,
ようにしてある。上記解決手法によれば,熱電変換素子の高温側面は,排気ポート内を流れる高い温度が維持されたままの排気ガスから効果的に高温を受けることになり,したがって熱電変換素子は極めて大きな温度差を利用した効果的な発電を行うことになる。特に,高温側面は排気ガスに直接曝されることになるので,排気ガスによって高温側面を極めて効果的に高温化して,発電能力向上の上で好ましいものとなる。さらに,熱電変換素子は収納凹部内に収納するようにしてあるので,熱電変換素子のしっかりとした取付けを確保しつつ,熱電変換素子の周囲面特に低温側面が排気ガスに曝される事態を防止する上でも好ましいものとなる。
In order to achieve the above object, the following solution is adopted in the present invention. That is, as described in claim 1 in the scope of claims,
A storage recess opening in the exhaust port is formed on the inner peripheral surface of the exhaust port of the internal combustion engine,
In the housing recess, a thermoelectric conversion element that generates electricity by a temperature difference between the high temperature side surface and the low temperature side surface with the one surface side being a high temperature side surface and the other surface side being a low temperature side surface, the high temperature side surface is in the exhaust port. Arranged in a state of facing
It is like that. According to the above solution, the high temperature side surface of the thermoelectric conversion element is effectively subjected to high temperature from the exhaust gas that maintains the high temperature flowing in the exhaust port, and therefore the thermoelectric conversion element has a very large temperature difference. Effective power generation using power will be performed. In particular, since the high temperature side surface is directly exposed to the exhaust gas, the high temperature side surface is extremely effectively heated by the exhaust gas, which is preferable for improving the power generation capacity. Furthermore, since the thermoelectric conversion element is housed in the housing recess, it is possible to prevent the surrounding surface of the thermoelectric conversion element, particularly the low temperature side, from being exposed to the exhaust gas while ensuring that the thermoelectric conversion element is firmly attached. This is also preferable.
上記解決手法を前提とした好ましい態様は、特許請求の範囲における請求項2以下に記載のとおりである。すなわち,
前記収納凹部が排気ポートの周方向に間隔をあけて複数形成されて,該各収納凹部内にそれぞれ前記熱電変換素子が配設されている,ようにすることができる(請求項2対応)。この場合,熱電変換素子を,極力大きく湾曲させることなく,排気ポートの断面(周方向形状)に沿って配設する上で好ましいものとなる。また,熱電変換素子そのものの形成も容易となる他,熱電変換素子の数を極力多くして全体としての発電能力向上の上でも好ましいものとなる。
A preferred mode based on the above solution is as described in
A plurality of the storage recesses may be formed at intervals in the circumferential direction of the exhaust port, and the thermoelectric conversion element may be disposed in each of the storage recesses (corresponding to claim 2). In this case, it is preferable to dispose the thermoelectric conversion element along the cross section (circumferential shape) of the exhaust port without curving as much as possible. In addition to facilitating the formation of the thermoelectric conversion element itself, the number of thermoelectric conversion elements is increased as much as possible to improve the overall power generation capacity.
排気ポートの断面形状が,直線部分と円弧状部分とを有する形状に設定され,
前記収納凹部が,前記直線部分に形成されて,その底壁部分が全体的に平坦面とされており,
前記熱電変換素子が,全体的に平板状とされている,
ようにすることができる(請求項3対応)。この場合,熱電変換素子を,複雑形状とすることなく安価に製造できる平板状として,コスト低減等の上で好ましいものとなる。
The cross-sectional shape of the exhaust port is set to a shape having a straight part and an arcuate part,
The storage recess is formed in the straight portion, and the bottom wall portion is entirely flat;
The thermoelectric conversion element is generally flat.
(Claim 3). In this case, the thermoelectric conversion element is preferably a flat plate that can be manufactured at low cost without a complicated shape in terms of cost reduction.
前記収納凹部が,排気マニホールドの取付面に開口されており,
前記熱電変換素子が,前記収納凹部に対応した形状に設定されて,該収納凹部に対して前記取付面側からスライド式に取付られるように設定されており,
前記収納凹部内に配設された前記熱電変換素子が,該収納凹部の壁面によって,それぞれ排気ポートの奥側と周方向各側と径方向各側との各方向への変位が規制されており,
前記取付面に取付けられた前記排気マニホールドのフランジ部によって,前記熱電変換素子の前記収納凹部からの抜けが規制されている,
ようにすることができる(請求項4対応)。この場合,収納凹部を利用して熱電変換素子の不必要な変位を規制しつつ,大きな作業空間を確保し易い排気マニホールド取付面側から熱電変換素子を取付けられることができ,しかも既存の排気マニホールドによって熱電変換素子の収納凹部からの抜けを規制することができる。さらに,収納凹部のうち排気マニホールド取付面側を排気マニホールドのフランジ部によって塞いで,収納凹部内への排気ガス流入を極力防止する上でも好ましいものとなる。
The storage recess is open to the mounting surface of the exhaust manifold;
The thermoelectric conversion element is set in a shape corresponding to the storage recess, and is set to be slidably attached to the storage recess from the mounting surface side;
Displacement of the thermoelectric conversion element disposed in the storage recess in each direction on the back side of the exhaust port, each side in the circumferential direction, and each side in the radial direction is regulated by the wall surface of the storage recess. ,
The flange portion of the exhaust manifold attached to the attachment surface restricts removal of the thermoelectric conversion element from the storage recess.
(Claim 4). In this case, the thermoelectric conversion element can be mounted from the exhaust manifold mounting surface side where a large working space can be easily secured while restricting unnecessary displacement of the thermoelectric conversion element using the storage recess, and the existing exhaust manifold Therefore, the removal of the thermoelectric conversion element from the housing recess can be regulated. Further, the exhaust manifold mounting surface side of the storage recess is closed by the flange portion of the exhaust manifold, which is preferable in preventing exhaust gas from flowing into the storage recess as much as possible.
前記高温側面が,排気ポート内周面形状に対応した形状に設定され,
前記高温側面が,排気ポート内周面と面一とされて,排気ポート内周面の一部を構成している,
ようにすることができる(請求項5対応)。この場合,熱電変換素子が排気ガスの流れの抵抗とならないようにして,排気ガスのスムーズな流れを確保する上で好ましいものとなる。
The high temperature side surface is set to a shape corresponding to the inner peripheral surface shape of the exhaust port,
The high temperature side surface is flush with the inner peripheral surface of the exhaust port and constitutes a part of the inner peripheral surface of the exhaust port.
(Corresponding to claim 5). In this case, it is preferable for ensuring a smooth flow of the exhaust gas by preventing the thermoelectric conversion element from resisting the flow of the exhaust gas.
内燃機関の排気ポート内に,熱伝導性の高い材質からなる断面環状とされたインサート部材が嵌合され,
前記インサート部材の内周面側に,一面側が高温側面とされると共に他面側が低温側面とされて該高温側面と低温側面との間の温度差によって発電する熱電変換素子が,該高温側面が排気ポート内に臨む状態でもって保持されている,
ようにすることができる(請求項6対応)。この場合,熱電変換素子を,インサート部材を利用して排気ポートの所定位置に確実に配設する上で好ましいものとなる。また,熱電変換素子の高温側面が直接排気ガスに曝されるので,高温側面を極力高温化することによる発電能力向上の上で好ましいものとなる。さらに,慎重な取扱が要請される熱電変換素子を,あらかじめインサート部材に保持させた後に内燃機関への取付作業等を行うことができ,熱電変換素子の取付作業の容易化やその保護の上でも好ましいものとなる。
An insert member having an annular cross section made of a material having high thermal conductivity is fitted into the exhaust port of the internal combustion engine.
A thermoelectric conversion element for generating electric power due to a temperature difference between the high temperature side surface and the low temperature side surface on one side of the inner surface of the insert member is a high temperature side surface and the other surface side is a low temperature side surface. Held in a state facing the exhaust port,
(Corresponding to claim 6). In this case, the thermoelectric conversion element is preferable for reliably arranging the thermoelectric conversion element at a predetermined position of the exhaust port by using the insert member. Further, since the high temperature side surface of the thermoelectric conversion element is directly exposed to the exhaust gas, it is preferable for improving the power generation capacity by increasing the temperature of the high temperature side surface as much as possible. Furthermore, thermoelectric conversion elements that require careful handling can be attached to the internal combustion engine after the insert members have been held in advance. This is preferable.
前記インサート部材の内周面に,排気ポート内に開口する収納凹部が形成され,
前記収納凹部内に,前記高温側面が排気ポート内に臨む状態でもって前記熱電変換素子が配設され,
前記高温側面が排気ポート内周面形状に対応した形状に設定され,
前記高温側面が,排気ポート内周面と面一とされて,排気ポートの内周面の一部を構成している,
ようにすることができる(請求項7対応)。この場合,熱電変換素子は収納凹部内に収納するようにしてあるので,熱電変換素子のしっかりとした取付けを確保しつつ,熱電変換素子の周囲面特に低温側面を排気ガスから保護する上でも好ましいものとなる。また,熱電変換素子が排気ガスの流れの抵抗をならないようにして,排気ガスのスムーズな流れを確保する上でも好ましいものとなる。
A housing recess that opens into the exhaust port is formed on the inner peripheral surface of the insert member,
The thermoelectric conversion element is disposed in the storage recess with the high temperature side faced in the exhaust port,
The high temperature side surface is set to a shape corresponding to the inner peripheral surface shape of the exhaust port,
The high temperature side surface is flush with the inner peripheral surface of the exhaust port and constitutes a part of the inner peripheral surface of the exhaust port.
(Corresponding to claim 7). In this case, since the thermoelectric conversion element is housed in the housing recess, it is preferable to protect the peripheral surface of the thermoelectric conversion element, particularly the low-temperature side surface, from the exhaust gas while ensuring a firm attachment of the thermoelectric conversion element. It will be a thing. In addition, it is preferable for ensuring a smooth flow of the exhaust gas by preventing the thermoelectric conversion element from resisting the flow of the exhaust gas.
前記熱電変換素子の出力端子部が,前記低温側面に位置設定されており,
前記インサート部材に,前記出力端子部に臨む切欠部が形成され,
前記熱電変換素子で発電された電力を外部に取り出すためのリード線が,前記切欠部を通して前記出力端子部に接続されている,
ようにすることができる(請求項8対応)。この場合,熱電変換素子の出力端子部に対するリード線の接続を,インサート部材に形成された切欠部を利用して容易に行うことができる。
The output terminal portion of the thermoelectric conversion element is positioned on the low temperature side surface,
The insert member is formed with a notch facing the output terminal portion,
A lead wire for taking out the electric power generated by the thermoelectric conversion element is connected to the output terminal portion through the notch,
(Claim 8). In this case, the connection of the lead wire to the output terminal portion of the thermoelectric conversion element can be easily performed using the cutout portion formed in the insert member.
内燃機関の排気ポート内に,熱伝導性の高い材質からなる断面環状とされたインサート部材が嵌合され,
前記インサート部材の外周面側に,一面側が高温側面とされると共に他面側が低温側面とされて該高温側面と低温側面との間の温度差によって発電する熱電変換素子が,該高温側面が排気ポートの径方向中心側を向く状態でもって保持されている,
ようにすることができる(請求項9対応)。この場合,熱電変換素子を,インサート部材を利用して排気ポートの所定位置に確実に配設する上で好ましいものとなる。また,慎重な取扱が要請される熱電変換素子を,あらかじめインサート部材に保持させた後に内燃機関への取付作業等を行うことができ,熱電変換素子の取付作業の容易化やその保護の上でも好ましいものとなる。さらに,熱電変換素子が直接排気ガスに曝されるのをインサート部材によって防止して,熱電変換素子の排気ガスによる汚損防止の上でも好ましいものとなる。
An insert member having an annular cross section made of a material having high thermal conductivity is fitted into the exhaust port of the internal combustion engine.
A thermoelectric conversion element for generating electric power due to a temperature difference between the high temperature side surface and the low temperature side surface with one surface side being a high temperature side surface and the other surface side being a low temperature side surface on the outer peripheral surface side of the insert member. It is held with the port facing the radial center.
(Corresponding to claim 9). In this case, the thermoelectric conversion element is preferable for reliably arranging the thermoelectric conversion element at a predetermined position of the exhaust port by using the insert member. In addition, a thermoelectric conversion element that requires careful handling can be attached to an internal combustion engine after it is held in advance by an insert member. This is preferable. Further, it is preferable to prevent the thermoelectric conversion element from being directly exposed to the exhaust gas by the insert member and to prevent the thermoelectric conversion element from being damaged by the exhaust gas.
前記インサート部材の外周面に収納凹部が形成され,
前記収納凹部内に前記熱電変換素子が配設されている,
ようにすることができる(請求項10対応)。この場合,熱電変換素子は収納凹部内に収納するようにしてあるので,熱電変換素子のしっかりとした取付けを確保しつつ,熱電変換素子の周囲面を排気ガスが保護する上でも好ましいものとなる
A storage recess is formed on the outer peripheral surface of the insert member,
The thermoelectric conversion element is disposed in the storage recess,
(Corresponding to claim 10). In this case, since the thermoelectric conversion element is housed in the housing recess, it is preferable for the exhaust gas to protect the peripheral surface of the thermoelectric conversion element while securing the thermoelectric conversion element to be firmly attached.
前記インサート部材の内周面形状が排気ポートの内周面形状に対応した形状となるように設定され,
前記インサート部材の内周面が,排気ポートの内周面と面一とされて,排気ポート内周面の一部を構成している,
ようにすることができる(請求項11対応)。この場合,インサート部材が排気ガスの流れの抵抗とならないようにして,排気ガスのスムーズな流れを確保する上で好ましいものとなる。
The inner peripheral surface shape of the insert member is set to be a shape corresponding to the inner peripheral surface shape of the exhaust port,
The inner peripheral surface of the insert member is flush with the inner peripheral surface of the exhaust port and constitutes a part of the inner peripheral surface of the exhaust port.
(Corresponding to claim 11). In this case, the insert member does not become a resistance to the flow of the exhaust gas, which is preferable for ensuring a smooth flow of the exhaust gas.
排気ポート内周面に,排気マニホールドの取付面側に開口された断面環状の取付凹部が形成され,
前記インサート部材が,前記取付面側から前記取付凹部内にスライド式に嵌合されて,該取付面に取付けられる前記排気マニホールドのフランジ部によって該取付凹部からの抜けが規制されている,
ようにすることができる(請求項12対応)。この場合,インサート部材やこれに保持された熱電変換素子を,広い作業空間を確保し易い排気マニホールド取付面側から行うことができ,取付作業容易化の上で好ましいものとなる。また,既存の排気マニホールドを利用して,インサート部材つまりこれに保持された熱電変換素子の排気マニホールド取付面側からの抜けを規制することができる。
On the inner peripheral surface of the exhaust port, a mounting recess with an annular cross section opened on the mounting surface side of the exhaust manifold is formed.
The insert member is slidably fitted into the mounting recess from the mounting surface side, and the escape from the mounting recess is restricted by the flange portion of the exhaust manifold mounted on the mounting surface.
(Corresponding to claim 12). In this case, the insert member and the thermoelectric conversion element held by the insert member can be performed from the exhaust manifold mounting surface side where it is easy to secure a wide working space, which is preferable for facilitating the mounting work. In addition, the existing exhaust manifold can be used to restrict the insertion member, that is, the thermoelectric conversion element held by the exhaust member from the exhaust manifold mounting surface side.
本発明によれば,排気ガスの有する高温をより十分に活かして,より効果的に発電を行うことができる。 According to the present invention, power can be generated more effectively by making full use of the high temperature of the exhaust gas.
図1において,Eは往復動型とされた火花点火式の内燃機関であり,1はシリンダヘッド,2はシリンダブロック,3はピストン,4は燃焼室である。図2に示すように,燃焼室4に連なる吸気ポート5は,それぞれ図示を略す吸気弁によって開閉される2つの独立ポート部5A,5Bと,この2つの独立ポート部5A,5Bの上流側端同士が集合された集合ポート部5Cとを有し,集合ポート部5Cが図示を略す吸気マニホールドに接続される。図2に示すように,燃焼室4に連なる排気ポート6は,それぞれ図示を略す排気弁によって開閉される2つの独立ポート部6A,6Bと,この2つの独立ポート部6A,6Bの下流側端同士が集合された集合ポート部6Cとを有し,集合ポート部6Cが排気マニホールド7に接続される。このように,実施形態では,内燃機関Eは,1つの気筒に対して2つの吸気弁と2つの排気弁とを有するものとなっている。
In FIG. 1, E is a reciprocating spark ignition internal combustion engine, 1 is a cylinder head, 2 is a cylinder block, 3 is a piston, and 4 is a combustion chamber. As shown in FIG. 2, the
排気ポート6の管壁,より具体的には排気ポート6のうちその集合ポート部6Cの周囲には,その上方と下方とにおいてそれぞれ冷却水通路8が形成されて,排気ポート付近の管壁が十分に冷却されるようになっている。なお,その他の冷却水通路が符合9で示されるが,各冷却水通路8と9とは互いに連通しているものである。
A cooling
集合ポート部6Cの内壁面(内周面)には,熱電変換素子(熱電モジュール)10が取付けられている。熱電変換素子10は,半導体を利用して全体的に平板状に形成されて,その一面側が高温を受けるための高温側面10aとされ,その他面側が低温を受けるための低温側面10bとされている。そして,高温側面10aと低温側面10bとの温度差に応じて発電するようになっており,実施形態では,500度C程度の極めて高い耐熱性を有するものが用いられている。このような熱電変換素子10としては,例えば株式会社東芝製の商品名「GIGA TOPAZ」(登録商標)を用いることができる。
A thermoelectric conversion element (thermoelectric module) 10 is attached to the inner wall surface (inner peripheral surface) of the collecting
熱電変換素子10の取付態様の詳細について,図4,図5を参照しつつ説明する。まず,集合ポート部6Cの断面形状は,図5に示すように横長(気筒配列方向)とされたほぼ楕円形状となっていて,上面6aと下面6bとがほぼ直線状とされる一方,左右の各側面6c,6dはほぼ半円状とされている。上記上面6aと下面6bとには,それぞれ,集合ポート部6C方向に伸びる収納凹部11が形成されている。この収納凹部11は,集合ポート部6Cの外部開口端面つまり排気マニホールド7の取付面1aに開口されている。また,収納凹部11は,集合ポート部6C内に向けての開口幅が徐々に狭くなるように形成されており(あり溝形式),ここに挿入する熱電変換素子10の低温側面10bを所定の面圧(1MPa程度が好ましい)をもって収納凹部11(の底壁面)に当接させることができる(熱伝達率の向上)。さらに,収納凹部11の底壁面(熱電変換素子10の低温側面10bが臨む側の面)は平坦面とされている。熱電変換素子10は,その断面形状が収納凹部11の断面形状に対応した形状に設定されて,収納凹部11に対して集合ポート部6Cの外部開口端面側からがたつきなくスライド式に嵌合される。このような収納凹部11の上方あるいは下方の直近に,収納凹部11に沿うようにして前述した冷却水通路8が位置されている。
The detail of the attachment aspect of the
収納凹部11内に収納された熱電変換素子10は,収納凹部11の奥側壁面に当接することにより,集合ポート部6Cの奥側(燃焼室4に向かう側)に向けての変位が規制され,収納凹部11の左右側面に当接することにより集合ポート部6Cの周方向各側への変位が規制され,収納凹部11の集合ポート部6C内への開口幅が徐々に小さくなっていることにより集合ポート部6Cの径方向中心側に向けての変位が規制され,収納凹部11の底壁面に当接することにより集合ポート部6Cの径方向外方側への変位が規制される。収納凹部11に収納された熱電変換素子10は,排気マニホールド7によって収納凹部11からの抜けが規制される。すなわち,収納凹部11に熱電変換素子10を収納した状態で,取付面1aに着座されるガスケット12によって収納凹部11の外部(取付面1a)への開口部位が施蓋され,このガスケット12の上から排気マニホールド7のフランジ部7aが着座された状態で,このフランジ部7aがボルト13によってシリンダヘッド1(の取付面1a)に締結される。このように,従来から行われている排気マニホールド7の内燃機関Eへの取付けを有効に利用して,熱電変換素子10の収納凹部11からの抜けを規制するようになっている。なお,収納凹部11は,シリンダヘッド1の製造時(鋳造時)に同時に形成されるもので,その深さは鋳造時では熱電変換素子10の厚さよりも若干大きくされる。シリンダヘッド1の製造後に,集合ポート部6Cの内面を研削等に仕上げ加工する際に,収納凹部11の深さが熱電変換素子10の厚さに対応した厚さとなるまで小さくされる。
The
収納凹部11内に収納された熱電変換素子10は,その高温側面10aが集合ポート部6Cの内周面と面一となってその一部を構成するようになっている。これにより,熱電変換素子10によって排気ガスの流れを妨げることなく,高温側面10aが集合ポート部6Cを流れる高温の排気ガスに直接曝されることになる。熱電変換素子10の低温側面10bは,その直近に冷却水通路8が位置されて,冷却水通路8内を流れる冷却水によって十分に冷却されるようになっている。このようにして,熱電変換素子10の高温側面10aと低温側面10bとは,極めて大きな温度差が得られるような位置設定とされている。
The
熱電変換素子10は,発電した電力の出力端子部10c(プラス側とマイナス側との2つある)が,低温側面10b側に位置設定されている。排気ポート管壁には,一端が出力端子部10cに臨むと共に,他端がシリンダヘッド1の外部に開口する開口部14が形成されている。この開口部14の外部への開口部位は,排気マニホールド7のフランジ部7aに対してクランク軸方向にオフセットされた位置とされている(フランジ部7aに対して上方あるいは下方にオフセットされた位置)。熱電変換素子10で発電された電力を外部に取り出すためのリード線15が,開口部14を通して配設されて,その先端部が熱電変換素子10の出力端子部10cに接続されている。すなわち,リード線15の先端部は,図6に示すように,その先端を残して例えばセラミックス等の耐熱性絶縁材からなるカバー部材16によって被覆されていて,カバー部材16が開口部14内にがたつきなく嵌合されるようになっている。カバー部材16を開口部14内に深く挿入することにより,リード線15の先端部が熱電変換素子10の出力端子部10cに当接されて,出力端子部10cからの電力がリード線15を通して外部に取り出されることになる。なお,カバー部材16は,耐熱性接着剤等により排気ポート管壁に固定される。
In the
なお,開口部14とリード線15は,各熱電変換素子10毎に設けられる(実施形態では2組設けられる)。また,開口部14の外部開口位置を,集合ポート部6Cの外部開口部位に対して左右方向(気筒配列方向)にオフセットさせた位置とすることも考えられるが,エンジン特に自動車用エンジンの多くはガスケット12が気筒配列方向に連なった1枚ものとされていることが多いので,このガスケット12が邪魔にならないように,実施形態で示すように集合ポート部6Cの外部開口位置に対して上下方向にオフセットさせた位置に開口させるのが好ましいものである。さらに,開口部14は,外部に向かうにつれて取付面1a側に近づくように(シリンダヘッド壁から離れていくように)斜めに形成されており,これにより,ドリル等の回転工具によって開口部14を形成(加工)する場合にシリンダヘッド壁との干渉が防止され,しかもリード線15の挿入も容易となる。
The
以上のような構成において,熱電変換素子10の高温側面10aは,高温の排気ガスに直接曝されて,極めて高温となる。この一方,熱電変換素子10の低温側面10bは,シリンダヘッド温度付近の低温となり,特に近くに冷却水通路8が位置しているので十分に低温となる。このため,高温側面10aと低温側面10bとの間の温度差が極めて大きくなって,熱電変換素子10は極めて効果的な発電を行うことになる。熱電変換素子10によって発電された電力は,リード線15によって外部に取り出されて,例えばバッテリの充電等適宜の用途に用いられる。熱電変換素子10は,収納凹部11内に収納されるので,熱電変換素子10の周囲面(特に低温側面10b)が排気ガスに極力曝されないようにする上で好ましいものとなっている。なお,熱電変換素子10を,収納凹部11に対して圧入することにより収納凹部11との隙間を無くしたり,あるいは耐熱性の接着剤(充・剤)を用いて収納凹部11との間の隙間を埋めるようにしてもよい。
In the configuration as described above, the high
排気ポート6は,排気ガスの流れ方向において,燃焼室4付近からほぼ上方に伸びた後,途中で横方向に向きを変えるように湾曲されている。排気ガスは,排気ポートの湾曲部位の外側部分およびこれに連なる延長部分を多く流れることになる。つまり,排気ポート6(集合ポート部6C)の断面での排気ガスの流れを見たとき,特に集合ポート部6Cの上方に位置された熱電変換素子10に対して多く排気ガスが流れて,この上方に位置される熱電変換素子10での発電がより効果的に行われることになる。
The
図7,図8は,本発明の第2の実施形態を示すもので,前記実施形態と同一構成要素には同一符合を付してその重複した説明は省略する(このことは以下の第3の実施形態についても同じ)。本実施形態では,熱電変換素子10Bを,別途インサート部材(ホルダ)20を用いて排気ポート管壁に組み込むようにしてある。すなわち,インサート部材20は,例えば銅を主体とした合金や鉄を主体とした合金等により形成されて,熱伝導性が優れていると共に耐熱性を十分に有しており,全体的に円筒形とされている。このインサート部材20の外周面には,周方向間隔をあけて2つの収納凹部21が形成されている。この収納凹部21は,インサート部材20の軸線方向一端部側にのみ開口されている。収納凹部21がインサート部材20の周方向において円弧状とされる関係上,熱電変換素子10Bも全体的に円弧状に湾曲して形成されている。熱電変換素子10Bは,収納凹部21内に収納されるが,この収納状態において,熱電変換素子10Bの外周面は,インサート部材20の外周面と面一とされてその一部を構成するようになっている。なお,収納凹部21のうちインサート部材20の径方向外方側への開口幅を徐々に小さくなるよう設定してもよく,この場合は,熱電変換素子10Bを,インサート部材20の軸線方向一端側から収納凹部11に対してスライド式に嵌合させればよい。
7 and 8 show a second embodiment of the present invention. The same components as those in the above-described embodiment are given the same reference numerals, and redundant description thereof is omitted (this is the following third embodiment). The same applies to the embodiment of the above). In this embodiment, the
集合ポート部6Cは,その断面形状が円形とされて,その内周面には,取付凹部23が形成されている(前記実施形態における収納凹部11に相当)。この取付凹部23は,断面円環状とされて,排気マニホールド取付面1aに開口されている。インサート部材20は,取付面1a側から取付凹部23内に嵌合される。取付凹部23に収納されたインサート部材20の内周面は,集合ポート部6Cの内周面と面一とされてその一部を構成するようになっている。本実施形態でも,各熱電変換素子10Bの低温側面10bに出力端子部10cが形成されて,排気ポート管壁に形成された開口部14内を通して配設されるリード線15(図7,図8では図示を略す)によって,発電電力が外部へ取り出されるようになっている。
The
本実施形態においては,熱電変換素子10Bの高温側面10aが,インサート部材20を介して集合ポート部6C側に位置されて高温となって,発電を行うことになる。インサート部材20のうち熱電変換素子10Bの高温側面10aが臨む部分は,収納凹部21を形成した関係上薄肉となっており,排気ガスの有する高熱を高温側面10aへ伝達する上で好ましいものとなる。本実施形態では,慎重な取扱が望まれる熱電変換素子10Bを,あらかじめインサート部材20に組み込んでおくことにより,このインサート部材20で保護された状態でもって排気ポート管壁への組み付け作業を行うことができる。また,熱電変換素子10Bが汚い排気ガスに直接接触するのが防止されることになる(熱電変換素子10Bに比して極めて安価なインサート部材20のみをその汚損時に交換することも可能)。
In the present embodiment, the high-
図9,図10は本発明の第3の実施形態を示すものである。本実施形態では,図7,図8の第2の実施形態と同様に,円筒形のインサート部材20Bを用いてある。ただし,本実施形態では,熱電変換素子10Bが収納される収納凹部21を,インサート部材20Bの内周面に形成するようにしてある。収納凹部21に熱電変換素子10Bを収納した状態で,熱電変換素子10Bの内周面がインサート部材20Bの内周面と面一となってその一部を構成するようになっている(熱電変換素子10Bの内周面が,集合ポート部6Cの内周面と面一となってその一部を構成する)。そして,インサート部材20Bの一部には,収納凹部2に収納された熱電変換素子10Bの出力端子部10cに臨む位置において,切欠部25を形成してある。リード線15(図9,図10では図示を略す)を,開口部14から切欠部25を通して配設することにより,その先端部を出力端子部10cに接触させることが可能となる。本実施形態では,インサート部材20Bによる熱電変換素子10Bの保護を図りつつ,熱電変換素子10Bの高温側面10aを集合ポート部6C内に直接露出させるようにして,高温側面10aが排気ガスによって十分に高温とされる設定となっている。
9 and 10 show a third embodiment of the present invention. In the present embodiment, a
以上実施形態について説明したが,本発明は,実施形態に限定されるものではなく,特許請求の範囲の記載された範囲において適宜の変更が可能であり,例えば次のような場合をも含むものである。内燃機関Eとしては,ディーゼルエンジンで代表される圧縮点火式式であってもよく,あるいはロータリピストンエンジンであってもよい。また,1つの気筒に対して排気弁が1つのみあるいは3以上有するものであってもよい。特に1つの気筒に対して複数の排気弁を有する場合は,各排気弁によって個々独立して開閉される複数の独立ポート部の周囲に熱電変換素子10(10B)を配設するようにしてもよい。熱電変換素子10(10B)を全体的に集合ポート部6Cの断面形状に沿う環状にして,集合ポート部6Cの全周を取り巻くように配設するようにしてもよい。熱電変換素子10(10B)は,多気筒内燃機関において,各気筒に全て設けるようにしてもよく,あるいは一部の気筒に対してのみ設けるようにしてもよい。勿論,本発明の目的は,明記されたものに限らず,実質的に好ましいあるいは利点として表現されたものを提供することをも暗黙的に含むものである。
Although the embodiment has been described above, the present invention is not limited to the embodiment, and can be appropriately changed within the scope described in the scope of claims, and includes the following cases, for example. . The internal combustion engine E may be a compression ignition type represented by a diesel engine or a rotary piston engine. Further, one cylinder may have only one exhaust valve or three or more exhaust valves. In particular, when a plurality of exhaust valves are provided for one cylinder, the thermoelectric conversion elements 10 (10B) may be disposed around a plurality of independent port portions that are individually opened and closed by the respective exhaust valves. Good. The thermoelectric conversion element 10 (10B) may be annularly formed along the cross-sectional shape of the
E:内燃機関
1:シリンダヘッド
1a:排気マニホールド取付面(排気ポートの外部開口端面)
4:燃焼室
5:吸気ポート
6:排気ポート
6A,6B:独立ポート部
6C:集合ポート部
7:排気マニホールド
8,9:冷却水通路
10:熱電変換素子
10B:熱電変換素子(図7〜図10の実施形態)
10a:高温側面
10b:低温側面
10c:出力端子部
11:収納凹部
12:ガスケット
14:開口部(リード線配設用)
15:リード線
16:カバー部材
20:インサート部材(図7,図8の実施形態)
20B:インサート部材(図9,図10の実施形態)
21:収納凹部(図7〜図10の実施形態)
23:取付凹部(図7〜図10の実施形態)
25:切欠部(図7,図8の実施形態)
E: Internal combustion engine 1:
4: Combustion chamber 5: Intake port 6:
10a: High
15: Lead wire 16: Cover member 20: Insert member (the embodiment shown in FIGS. 7 and 8)
20B: Insert member (the embodiment of FIGS. 9 and 10)
21: Storage recess (the embodiment of FIGS. 7 to 10)
23: Mounting recess (the embodiment of FIGS. 7 to 10)
25: Notch (the embodiment of FIGS. 7 and 8)
Claims (12)
前記収納凹部内に,一面側が高温側面とされると共に他面側が低温側面とされて該高温側面と低温側面との間の温度差によって発電する熱電変換素子が,該高温側面が排気ポート内に臨む状態でもって配設されている,
ことを特徴とする内燃機関の排熱発電装置。 A storage recess opening in the exhaust port is formed on the inner peripheral surface of the exhaust port of the internal combustion engine,
A thermoelectric conversion element in which the one side is a high temperature side and the other side is a low temperature side and the power is generated by a temperature difference between the high temperature side and the low temperature side in the storage recess, the high temperature side is in the exhaust port. Arranged in a state of facing
An exhaust heat power generation apparatus for an internal combustion engine.
前記収納凹部が排気ポートの周方向に間隔をあけて複数形成されて,該各収納凹部内にそれぞれ前記熱電変換素子が配設されている,ことを特徴とする内燃機関の排熱発電装置。 In claim 1,
An exhaust heat power generator for an internal combustion engine, wherein a plurality of the storage recesses are formed at intervals in the circumferential direction of the exhaust port, and the thermoelectric conversion element is disposed in each of the storage recesses.
排気ポートの断面形状が,直線部分と円弧状部分とを有する形状に設定され,
前記収納凹部が,前記直線部分に形成されて,その底壁部分が全体的に平坦面とされており,
前記熱電変換素子が,全体的に平板状とされている,
ことを特徴とする内燃機関の排熱発電装置。 In claim 1 or claim 2,
The cross-sectional shape of the exhaust port is set to a shape having a straight part and an arcuate part,
The storage recess is formed in the straight portion, and the bottom wall portion is entirely flat;
The thermoelectric conversion element is generally flat.
An exhaust heat power generation apparatus for an internal combustion engine.
前記収納凹部が,排気マニホールドの取付面に開口されており,
前記熱電変換素子が,前記収納凹部に対応した形状に設定されて,該収納凹部に対して前記取付面側からスライド式に取付られるように設定されており,
前記収納凹部内に配設された前記熱電変換素子が,該収納凹部の壁面によって,それぞれ排気ポートの奥側と周方向各側と径方向各側との各方向への変位が規制されており,
前記取付面に取付けられた前記排気マニホールドのフランジ部によって,前記熱電変換素子の前記収納凹部からの抜けが規制されている,
ことを特徴とする内燃機関の排熱発電装置。 In any one of Claims 1 to 3,
The storage recess is open to the mounting surface of the exhaust manifold;
The thermoelectric conversion element is set in a shape corresponding to the storage recess, and is set to be slidably attached to the storage recess from the mounting surface side;
Displacement of the thermoelectric conversion element disposed in the storage recess in each direction on the back side of the exhaust port, each side in the circumferential direction, and each side in the radial direction is regulated by the wall surface of the storage recess. ,
The flange portion of the exhaust manifold attached to the attachment surface restricts removal of the thermoelectric conversion element from the storage recess.
An exhaust heat power generation apparatus for an internal combustion engine.
前記高温側面が,排気ポート内周面形状に対応した形状に設定され,
前記高温側面が,排気ポート内周面と面一とされて,排気ポート内周面の一部を構成している,
ことを特徴とする内燃機関の排熱発電装置。 In any one of Claims 1 thru | or 4,
The high temperature side surface is set to a shape corresponding to the inner peripheral surface shape of the exhaust port,
The high temperature side surface is flush with the inner peripheral surface of the exhaust port and constitutes a part of the inner peripheral surface of the exhaust port.
An exhaust heat power generation apparatus for an internal combustion engine.
前記インサート部材の内周面側に,一面側が高温側面とされると共に他面側が低温側面とされて該高温側面と低温側面との間の温度差によって発電する熱電変換素子が,該高温側面が排気ポート内に臨む状態でもって保持されている,
ことを特徴とする内燃機関の排熱発電装置。 An insert member having an annular cross section made of a material having high thermal conductivity is fitted into the exhaust port of the internal combustion engine.
A thermoelectric conversion element for generating electric power by a temperature difference between the high temperature side surface and the low temperature side surface on one side of the inner surface of the insert member is a high temperature side surface and the other surface side is a low temperature side surface. Held in a state facing the exhaust port,
An exhaust heat power generation apparatus for an internal combustion engine.
前記インサート部材の内周面に,排気ポート内に開口する収納凹部が形成され,
前記収納凹部内に,前記高温側面が排気ポート内に臨む状態でもって前記熱電変換素子が配設され,
前記高温側面が排気ポート内周面形状に対応した形状に設定され,
前記高温側面が,排気ポート内周面と面一とされて,排気ポートの内周面の一部を構成している,
ことを特徴とする内燃機関の排熱発電装置。 In claim 6,
A housing recess that opens into the exhaust port is formed on the inner peripheral surface of the insert member,
The thermoelectric conversion element is disposed in the storage recess with the high temperature side faced in the exhaust port,
The high temperature side surface is set to a shape corresponding to the inner peripheral surface shape of the exhaust port,
The high temperature side surface is flush with the inner peripheral surface of the exhaust port and constitutes a part of the inner peripheral surface of the exhaust port.
An exhaust heat power generation apparatus for an internal combustion engine.
前記熱電変換素子の出力端子部が,前記低温側面に位置設定されており,
前記インサート部材に,前記出力端子部に臨む切欠部が形成され,
前記熱電変換素子で発電された電力を外部に取り出すためのリード線が,前記切欠部を通して前記出力端子部に接続されている,
ことを特徴とする内燃機関の排熱発電装置。 In claim 6 or claim 7,
The output terminal portion of the thermoelectric conversion element is positioned on the low temperature side surface,
The insert member is formed with a notch facing the output terminal portion,
A lead wire for taking out the electric power generated by the thermoelectric conversion element is connected to the output terminal portion through the notch,
An exhaust heat power generation apparatus for an internal combustion engine.
前記インサート部材の外周面側に,一面側が高温側面とされると共に他面側が低温側面とされて該高温側面と低温側面との間の温度差によって発電する熱電変換素子が,該高温側面が排気ポートの径方向中心側を向く状態でもって保持されている,
ことを特徴とする内燃機関の排熱発電装置。 An insert member having an annular cross section made of a material having high thermal conductivity is fitted into the exhaust port of the internal combustion engine.
A thermoelectric conversion element for generating electric power due to a temperature difference between the high temperature side surface and the low temperature side surface with one surface side being a high temperature side surface and the other surface side being a low temperature side surface on the outer peripheral surface side of the insert member. It is held with the port facing the radial center.
An exhaust heat power generation apparatus for an internal combustion engine.
前記インサート部材の外周面に収納凹部が形成され,
前記収納凹部内に前記熱電変換素子が配設されている,
ことを特徴とする内燃機関の排熱発電装置。 In claim 9,
A storage recess is formed on the outer peripheral surface of the insert member,
The thermoelectric conversion element is disposed in the storage recess,
An exhaust heat power generation apparatus for an internal combustion engine.
前記インサート部材の内周面形状が排気ポートの内周面形状に対応した形状となるように設定され,
前記インサート部材の内周面が,排気ポートの内周面と面一とされて,排気ポート内周面の一部を構成している,
ことを特徴とする内燃機関の排熱発電装置。 In claim 9 or claim 10,
The inner peripheral surface shape of the insert member is set to be a shape corresponding to the inner peripheral surface shape of the exhaust port,
The inner peripheral surface of the insert member is flush with the inner peripheral surface of the exhaust port and constitutes a part of the inner peripheral surface of the exhaust port.
An exhaust heat power generation apparatus for an internal combustion engine.
排気ポート内周面に,排気マニホールドの取付面側に開口された断面環状の取付凹部が形成され,
前記インサート部材が,前記取付面側から前記取付凹部内にスライド式に嵌合されて,該取付面に取付けられる前記排気マニホールドのフランジ部によって該取付凹部からの抜けが規制されている,
ことを特徴とする内燃機関の排熱発電装置。
In any one of Claims 6 thru | or 11,
On the inner peripheral surface of the exhaust port, a mounting recess with an annular cross section opened on the mounting surface side of the exhaust manifold is formed.
The insert member is slidably fitted into the mounting recess from the mounting surface side, and the escape from the mounting recess is restricted by the flange portion of the exhaust manifold mounted on the mounting surface.
An exhaust heat power generation apparatus for an internal combustion engine.
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JP2005088155A JP2006266212A (en) | 2005-03-25 | 2005-03-25 | Exhaust heat power generation plant of internal combustion engine |
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EP2098713A1 (en) * | 2008-03-06 | 2009-09-09 | Iveco Motorenforschung AG | Thermoelectric heat recuperation system |
DE102009002596A1 (en) * | 2009-04-23 | 2010-11-04 | Ford Global Technologies, LLC, Dearborn | Internal combustion engine with thermoelectric generator |
EP2686531A1 (en) * | 2011-03-18 | 2014-01-22 | Basf Se | Exhaust train having an integrated thermoelectric generator |
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2005
- 2005-03-25 JP JP2005088155A patent/JP2006266212A/en active Pending
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