車載発電システム
【課題】高温環境下においても、デバイスが損傷し、発電性能が低下することや、発電不能となることを抑制できる車載発電システムを提供すること。
【解決手段】車載発電システム１に、内燃機関２と、内燃機関２から排出され、温度が経時的に上下する排気ガスが供給されることにより電気分極する第１デバイス３と、第１デバイス３から電力を取り出すための第２デバイス４と、排気ガスの温度を検知する温度センサ５と、第１デバイス３に供給される排気ガスの温度を低下させる温度低下機構６と、温度センサ５による検知温度が所定温度以上であるときに、温度低下機構６を作動させる制御ユニット７とを備える。
【解決手段】車載発電システム１に、内燃機関２と、内燃機関２から排出され、温度が経時的に上下する排気ガスが供給されることにより電気分極する第１デバイス３と、第１デバイス３から電力を取り出すための第２デバイス４と、排気ガスの温度を検知する温度センサ５と、第１デバイス３に供給される排気ガスの温度を低下させる温度低下機構６と、温度センサ５による検知温度が所定温度以上であるときに、温度低下機構６を作動させる制御ユニット７とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車載発電システム、詳しくは、自動車などの車両に搭載される車載発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車エンジンなどの内燃機関や、ボイラー、空調設備などの熱交換器、発電機、モータなどの電動機関、照明などの発光装置などの各種エネルギー利用装置では、例えば、排熱、光などとして、多くの熱エネルギーが放出および損失されている。
【０００３】
近年、省エネルギー化の観点から、放出される熱エネルギーを回収し、エネルギー源として再利用することが要求されており、このような方法として、焦電素子を用いた熱電変換発電が、知られている。
【０００４】
具体的には、例えば、複数の焦電素子のそれぞれの温度を上昇させる加熱源と、それら焦電素子のそれぞれの温度を低下させる冷却源と、加熱源および冷却源、および／または、焦電素子を移動させる移動手段とを備える発電装置を用い、加熱源および冷却源により焦電素子の温度を周期的に上昇および下降させることによって、焦電素子から直流電力または交流電力を取り出す方法が、提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−３３２２６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方、このような発電方法としては、発電装置を自動車などの車両に搭載し、例えば、内燃機関から排気ガスが排出される排出管内に焦電素子を配置するとともに、その排気ガスを加熱源および冷却源として用いることなども検討することもできる。
【０００７】
しかるに、このような場合には、排気ガスの温度によっては、焦電素子が高温になると、焦電素子に損傷を生じ、発電性能が低下する場合や、発電不能となる場合がある。
【０００８】
本発明の目的は、デバイスが損傷し、発電性能が低下することや、発電不能となることを抑制できる車載発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の車載発電システムは、内燃機関と、前記内燃機関から排出され、温度が経時的に上下する排気ガスが供給されることにより電気分極する第１デバイスと、前記第１デバイスから電力を取り出すための第２デバイスと、前記排気ガスの温度を検知する検知手段と、前記第１デバイスに供給される排気ガスの温度を低下させる温度低下手段と、前記検知手段による検知温度が所定温度以上であるときに、前記温度低下手段を作動させる制御手段とを備えることを特徴としている。
【００１０】
また、本発明の車載発電システムでは、前記内燃機関が、エンジンと、前記エンジンに接続され、前記エンジンに空気を供給するための吸気管と、前記エンジンに接続され、前記エンジンから前記排気ガスを排出させるための排気管とを備え、前記第１デバイスが、前記排気管内に配置され、前記温度低下手段が、その一端が前記排気管における前記第１デバイスの下流側に接続され、その他端が前記吸気管に接続される還流管と、前記還流管において還流される前記排気ガスの還流量を調節するための還流量調節手段とを備えており、前記制御手段は、前記検知手段による検知温度が所定温度以上であるときに、前記還流量調節手段を制御して、前記排気ガスの前記還流量を増加させることが好適である。
【００１１】
また、本発明の車載発電システムでは、前記内燃機関が、エンジンと、前記エンジンに接続され、前記エンジンに空気を供給するための吸気管と、前記エンジンに接続され、前記エンジンから前記排気ガスを排出させるための排気管と、前記吸気管に設けられ、前記エンジンに燃料を供給するための燃料供給手段とを備え、前記第１デバイスが、前記排気管内に配置され、前記温度低下手段が、前記エンジンに対する前記燃料供給手段からの前記燃料の供給量を調節するための燃料供給量調節手段を備え、前記制御手段は、前記検知手段による検知温度が所定温度以上であるときに、前記燃料供給量調節手段を制御して、前記燃料の前記供給量を減少させることが好適である。
【００１２】
また、本発明の車載発電システムでは、前記内燃機関が、エンジンと、前記エンジンに接続され、前記エンジンから前記排気ガスを排出させるための排気管とを備え、前記第１デバイスが、前記排気管内に配置され、前記温度低下手段が、前記排気管における前記エンジンと前記第１デバイスとの間に接続され、冷却媒体を前記排気管に供給するための冷却媒体供給手段を備えており、前記制御手段は、前記検知手段による検知温度が所定温度以上であるときに、前記冷却媒体供給手段から冷却媒体を供給することが好適である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の車載発電システムでは、排気ガスの温度が検知され、その検知される検知温度が所定温度以上であるときに、制御手段により温度低下手段が作動され、第１デバイスに供給される排気ガスの温度が低下される。
【００１４】
そのため、このような車載発電システムによれば、第１デバイスが高温となって損傷することを抑制することができ、車載発電システムの発電性能が低下することや、発電不能となることを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の車載発電システムの一実施形態を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
１．車載発電システムの全体構成
図１は、本発明の車載発電システムの一実施形態を示す概略構成図である。
【００１７】
図１において、自動車１０は、車載発電システム１を備えている。
【００１８】
車載発電システム１は、内燃機関２と、内燃機関２から排出され、温度が経時的に上下する排気ガスが供給されることにより電気分極する第１デバイス３と、第１デバイス３から電力を取り出すための第２デバイス４と、排気ガスの温度を検知する検知手段としての温度センサ５と、第１デバイス３に供給される排気ガスの温度を低下させる温度低下手段としての温度低下機構６と、温度センサ５による検知温度が所定温度（後述）以上であるときに、温度低下機構６を作動させる制御手段としての制御ユニット７とを備えている。
【００１９】
内燃機関２は、エンジン１１、エンジン１１に空気を供給するための吸気管１６、エンジン１１から排気ガスを排出させるための排気管１７、および、エンジン１１に燃料を供給するための燃料供給手段としての燃料供給装置２０を備えている。
【００２０】
エンジン１１は、車両などの動力を出力する装置であって、例えば、単気筒型または多気筒型（例えば、２気筒型、４気筒型、６気筒型）が採用されるとともに、その各気筒において、多サイクル方式（例えば、２サイクル方式、４サイクル方式、６サイクル方式など）が採用される。
【００２１】
以下において、４気筒型が採用されるとともに、その各気筒で４サイクル方式が採用されるエンジン１１について、説明する。
【００２２】
このエンジン１１は、並列配置される複数（４つ）の気筒１２を備えている。なお、図１においては、１つの気筒１２を取り出して示し、その他の気筒１２については省略している。
【００２３】
各気筒１２は、ピストン１３、燃焼室１４および点火プラグ（図示せず）などを備えており、上流側が吸気管１６に接続されるとともに、下流側が排気管１７に接続されている。
【００２４】
また、各気筒１２は、吸気管１６と接続される接続部分において、吸気バルブ１８を備えるとともに、排気管１７と接続される接続部分において、排気バルブ１９を備えている。
【００２５】
吸気バルブ１８は、気筒１２と吸気管１６との接続部分において、気筒１２を開閉可能に設けられている。
【００２６】
排気バルブ１９は、気筒１２と排気管１７との接続部分において、気筒１２を開閉可能に設けられている。
【００２７】
これら吸気バルブ１８および排気バルブ１９は、図示しないが、スプリングなどの弾性力によって閉方向に付勢されている。これら吸気バルブ１８および排気バルブ１９は、例えば、カムシャフトの回転などによって、気筒１２を開閉可能としている。
【００２８】
吸気管１６は、エンジン１１に空気を供給するために設けられ、その下流側端部がエンジン１１の気筒１２に接続されるとともに、上流側端部が外気に開放されている。
【００２９】
吸気管１６は、後述するサージタンク２３の上流側において、スロットルバルブ２７を備えており、このスロットルバルブ２７の開閉により、エンジン１１が空気を取り込み可能としている。
【００３０】
また、吸気管１６は、サージタンク２３を備え、還流管２５（後述）が接続されている。
【００３１】
サージタンク２３は、エンジン１１の作動により吸気管１６に生じる吸気の脈動をとるものであって、さらに、吸気管１６において取り込まれた空気と、還流管２５（後述）により還流される排ガスとを混合することができ、ほぼ略直方体の箱型空間として区画されている。
【００３２】
排気管１７は、エンジン１１から排気ガスを排出させるために設けられ、その上流側端部がエンジン１１の気筒１２に接続されている。
【００３３】
また、図示しないが、複数（４つ）の気筒１２に接続される複数（４つ）の排気管１７は、それぞれ、エンジン１１よりも下流側において１つに集合されており、その集合された排気管１７の下流側端部は、外気に開放されている。これにより、エンジン１１から排出される排気ガスを集合させ、外気に放出可能としている。
【００３４】
燃料供給装置２０は、吸気管１６に設けられ、燃料タンク２１および燃料供給管２２を備えている。
【００３５】
燃料タンク２１は、エンジンに供給される燃料（例えば、ガソリンなど）が貯留されるタンクであって、耐熱耐圧容器などから形成されている。
【００３６】
燃料供給管２２は、燃料タンク２１からエンジン１１に燃料を供給するために設けられており、その上流側端部が燃料タンク２１に接続されるとともに、下流側端部が、後述する燃料噴射弁３０に接続されている。
【００３７】
第１デバイス３は、内燃機関２（エンジン１１）から排出され、温度が経時的に上下する排気ガスが供給されることにより、温度が経時的に上下され、電気分極するデバイスである。
【００３８】
ここでいう電気分極とは、結晶の歪みにともなう正負イオンの変位により誘電分極し電位差が生じる現象、例えばピエゾ効果、および／または、温度変化により誘電率が変化し電位差が生じる現象、例えば焦電効果などのように、材料に起電力が発生する現象と定義する。
【００３９】
このような第１デバイス３として、より具体的には、例えば、ピエゾ効果により電気分極するデバイス、焦電効果により電気分極するデバイスなどが挙げられる。
【００４０】
ピエゾ効果は、応力または歪みが加えられたときに、その応力または歪みの大きさに応じて電気分極する効果（現象）である。
【００４１】
このようなピエゾ効果により電気分極する第１デバイス３としては、特に制限されず、公知のピエゾ素子（圧電素子）を用いることができる。
【００４２】
第１デバイス３としてピエゾ素子が用いられる場合には、ピエゾ素子は、例えば、その周囲が固定部材により固定され、体積膨張が抑制された状態において、排気ガスに接触（曝露）されるように、排気管１７内に配置される。
【００４３】
固定部材としては、特に制限されず、例えば、後述する第２デバイス４（例えば、電極など）を用いることもできる。
【００４４】
そして、このような場合には、ピエゾ素子は、排気ガスの経時的な温度変化により、加熱または冷却され、これにより、膨張または収縮する。
【００４５】
このとき、ピエゾ素子は、固定部材により体積膨張が抑制されているため、ピエゾ素子は、固定部材に押圧され、ピエゾ効果（圧電効果）、または、キュリー点付近での相変態により、電気分極する。これにより、詳しくは後述するが、第２デバイス４を介して、ピエゾ素子から電力が取り出される。
【００４６】
また、このようなピエゾ素子は、通常、加熱状態または冷却状態が維持され、その温度が一定（すなわち、体積一定）になると、電気分極が中和され、その後、冷却または加熱されることにより、再度、電気分極する。
【００４７】
そのため、上記したように排気ガスが周期的に温度変化し、高温状態と低温状態とが周期的に繰り返される場合などには、ピエゾ素子が周期的に繰り返し加熱および冷却されるため、ピエゾ素子の電気分極およびその中和が、周期的に繰り返される。
【００４８】
その結果、後述する第２デバイス４により、電力が、周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）として取り出される。
【００４９】
焦電効果は、例えば、絶縁体（誘電体）などを加熱および冷却する時に、その温度変化に応じて絶縁体が電気分極する効果（現象）であって、第１効果および第２効果を含んでいる。
【００５０】
第１効果は、絶縁体の加熱時および冷却時において、その温度変化により自発分極し、絶縁体の表面に、電荷を生じる効果とされている。
【００５１】
また、第２効果は、絶縁体の加熱時および冷却時において、その温度変化により結晶構造に圧力変形が生じ、結晶構造に加えられる応力または歪みにより、圧電分極を生じる効果（ピエゾ効果、圧電効果）とされている。
【００５２】
このような焦電効果により電気分極するデバイスとしては、特に制限されず、公知の焦電素子を用いることができる。
【００５３】
第１デバイス３として焦電素子が用いられる場合には、焦電素子は、排気ガスに接触（曝露）されるように、排気管１７内に配置される。
【００５４】
このような場合において、焦電素子は、排気ガスの経時的な温度変化により、加熱または冷却され、その焦電効果（第１効果および第２効果を含む）により、電気分極する。これにより、詳しくは後述するが、第２デバイス４を介して、焦電素子から電力が取り出される。
【００５５】
また、このような焦電素子は、通常、加熱状態または冷却状態が維持され、その温度が一定になると、電気分極が中和され、その後、冷却または加熱されることにより、再度、電気分極する。
【００５６】
そのため、上記したように排気ガスが周期的に温度変化し、高温状態と低温状態とが周期的に繰り返される場合などには、焦電素子が周期的に繰り返し加熱および冷却されるため、焦電素子の電気分極およびその中和が、周期的に繰り返される。
【００５７】
その結果、後述する第２デバイス４により、電力が、周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）として取り出される。
【００５８】
このような第１デバイス３として、具体的には、上記したように、公知の焦電素子（例えば、ＢａＴｉＯ３、ＣａＴｉＯ３、（ＣａＢｉ）ＴｉＯ３、ＢａＮｄ２Ｔｉ５Ｏ１４、ＢａＳｍ２Ｔｉ４Ｏ１２、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）など）、公知のピエゾ素子（例えば、水晶（ＳｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ロッシェル塩（酒石酸カリウム−ナトリウム）（ＫＮａＣ４Ｈ４Ｏ６）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、リチウムテトラボレート（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、電気石（トルマリン）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）など）などを用いることができる。
【００５９】
これら第１デバイス３は、単独使用または２種類以上併用することができる。
【００６０】
第１デバイス３のキュリー点は、例えば、−７７℃以上、好ましくは、−１０℃以上であり、例えば、１３００℃以下、好ましくは、９００℃以下である。
【００６１】
また、第１デバイス３（絶縁体（誘電体））の比誘電率は、例えば、１以上、好ましくは、１００以上、より好ましくは、２０００以上である。
【００６２】
このような車載発電システム１では、第１デバイス３（絶縁体（誘電体））の比誘電率が高いほど、エネルギー変換効率が高く、高電圧で電力を取り出すことができるが、第１デバイス３の比誘電率が上記下限未満であれば、エネルギー変換効率が低く、得られる電力の電圧が低くなる場合がある。
【００６３】
なお、第１デバイス３（絶縁体（誘電体））は、排気ガスの温度変化によって電気分極するが、その電気分極は、電子分極、イオン分極および配向分極のいずれでもよい。
【００６４】
例えば、配向分極によって分極が発現する材料（例えば、液晶材料など）では、その分子構造を変化させることにより、発電効率の向上を図ることができるものと期待されている。
【００６５】
このような第１デバイス３は、排気管１７内、具体的には、排気管１７の、後述する冷却媒体供給管３２が接続される接続部分よりも下流側、かつ、後述する還流管２５が接続される接続部分よりも上流側において、例えば、互いに間隔を隔てて複数整列配置され、第２デバイス４（および必要により設けられる固定部材（図示せず））により、固定されている。なお、図１においては、１つの第１デバイス３を取り出して示し、その他の第１デバイス３については省略している。
【００６６】
これにより、第１デバイス３は、排気管１７内において、第２デバイス４を介して、排気ガスに接触（曝露）可能とされている。
【００６７】
第２デバイス４は、第１デバイス３から電力を取り出すために設けられる。
【００６８】
このような第２デバイス４は、より具体的には、特に制限されないが、例えば、上記の第１デバイス３を挟んで対向配置される２つの電極（例えば、銅電極、銀電極など）、例えば、それら電極に接続される導線などを備えており、第１デバイス３に電気的に接続されている。
【００６９】
また、第２デバイス４は、必要により、昇圧器（図示せず）、交流／直流変換器（ＡＣ−ＤＣコンバーター）（図示せず）などを介して、バッテリー８に、電気的に接続されている。
【００７０】
温度センサ５は、排気ガスの温度を検知するため、排気管１７内において、第１デバイス３よりも上流側に配置される。温度センサ５は、排気ガスの温度として、排気管１７内を通過する排気ガスの温度を直接検知するか、または、第１デバイス３の表面温度を検知することにより、排気ガス温度を検知する。温度センサ５としては、例えば、赤外放射温度計や、熱電対温度計などの公知の温度計が用いられる。
【００７１】
温度低下機構６は、排気ガスを排気管１７から吸気管１６に還流させる排気再循環（ＥＧＲ：Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）システム２４と、燃料供給量調節手段としての燃料噴射弁３０と、冷却媒体供給手段としての冷却媒体供給装置３１とを備えている。
【００７２】
排気再循環システム２４は、エンジン１１から排出される排気ガスを還流させるための還流管２５と、還流管２５において還流される排気ガスの還流量を調節するための還流量調節手段としての還流量調節弁２６とを備えている。
【００７３】
還流管２５は、その一端（上流側端部）が排気管１７の第１デバイス３の下流側に接続され、その他端（下流側端部）が、吸気管１６の流れ方向途中に接続されている。
【００７４】
還流量調節弁２６は、還流管２５を開閉するための弁であって、還流管２５の流れ方向途中に介在されている。還流量調節弁２６としては、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が用いられる。また、還流量調節弁２６は、制御ユニット７（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、制御ユニット７（後述）からの制御信号が、還流量調節弁２６に入力され、制御ユニット７（後述）が、還流量調節弁２６の開閉および開度を制御する。
【００７５】
燃料噴射弁３０は、エンジン１１に対する燃料供給装置２０からの燃料の供給量を調節するとともに、その燃料をエンジン１１に対して噴射するための弁であって、燃料供給管２２の下流側端部に設けられ、吸気管１６の吸気バルブ１８よりも上流側に接続されている。
【００７６】
燃料噴射弁３０としては、特に制限されず、公知の噴射弁を用いることができる。また、燃料噴射弁３０は、制御ユニット７（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、制御ユニット７（後述）からの制御信号が、燃料噴射弁３０に入力され、制御ユニット７（後述）が、燃料噴射弁３０の開閉および開度、すなわち、燃料噴射弁による燃料の噴射量（エンジン１１に対する燃料の供給量）を制御する。
【００７７】
冷却媒体供給装置３１は、冷却媒体（例えば、空気（以下同様））を排気管１７に供給するために設けられており、排気管１７におけるエンジン１１と第１デバイス３との間に接続されている。
【００７８】
このような冷却媒体供給装置３１は、冷却媒体供給管３２、冷却媒体供給弁３３および冷却媒体供給ポンプ３４を備えている。
【００７９】
冷却媒体供給管３２は、冷却媒体を排気管１７に供給するために設けられており、その下流側端部が排気管１７の流れ方向途中、具体的には、排気管１７内に配置される第１デバイス３よりも上流側、かつ、温度センサ５よりも下流側に接続されている。また、冷却媒体供給管３２の上流側端部は外気に開放されており、冷却媒体を取り込み可能としている。
【００８０】
冷却媒体供給弁３３は、冷却媒体供給管３２を開閉するための弁であって、冷却媒体供給管３２の流れ方向途中に介在されている。冷却媒体供給弁３３としては、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が用いられる。また、冷却媒体供給弁３３は、制御ユニット７（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、制御ユニット７（後述）からの制御信号が、冷却媒体供給弁３３に入力され、制御ユニット７（後述）が、冷却媒体供給弁３３の開閉および開度を制御する。
【００８１】
冷却媒体供給ポンプ３４は、冷却媒体を冷却媒体供給管３２内に輸送するためのポンプであって、冷却媒体供給弁３３よりも上流側において、冷却媒体供給管３２に介在されている。冷却媒体供給ポンプ３４としては、例えば、ロータリーポンプ、ギヤポンプなどの回転式ポンプ、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプなどの往復式ポンプなど、公知のポンプが用いられる。冷却媒体供給ポンプ３４は、制御ユニット７（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、制御ユニット７（後述）からの制御信号が、冷却媒体供給ポンプ３４に入力され、制御ユニット７（後述）が、冷却媒体供給ポンプ３４の駆動および停止を制御する。
【００８２】
制御ユニット７は、車載発電システム１における電気的な制御を実行するユニット（例えば、ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）であり、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータで構成されている。
【００８３】
この制御ユニット７は、図１において破線で示すように、温度センサ５、還流量調節弁２６、燃料噴射弁３０、冷却媒体供給弁３３およびに冷却媒体供給ポンプ３４に電気的に接続されており、温度センサ５からの電気信号が入力可能とされるとともに、還流量調節弁２６、燃料噴射弁３０および冷却媒体供給弁３３の開閉および開度や、冷却媒体供給ポンプ３４の駆動および停止を制御可能としている。
２．発電方法
以下において、上記した車載発電システム１を用いた発電方法について、詳述する。
【００８４】
この車載発電システム１では、エンジン１１の駆動により、気筒１２においてピストンの昇降運動が繰り返されており、これにより、例えば、４サイクル方式では、吸気工程、圧縮工程、爆発工程、排気工程などが順次実施される。
【００８５】
より具体的には、このエンジン１１では、まず、スロットルバルブ２７が開かれ、吸気管１６から空気が供給されるとともに、燃料供給管２２から所定量の燃料が燃料噴射弁３０によって供給（噴射）され、それらが混合される。そして、空気と燃料との混合気が、吸気バルブ１８が開かれることにより、気筒１２の燃焼室１４に供給される（吸気工程）。
【００８６】
次いで、吸気バルブ１８が閉じられ、ピストン１３が上昇することにより、燃焼室１４の混合気が圧縮され、高温化される（圧縮工程）。
【００８７】
次いで、図示しない点火プラグにより混合気が点火され、爆発的に燃焼されるとともに、ピストン１３が爆発により押し下げられる（爆発工程）。
【００８８】
その後、排気バルブ１９が開かれ、燃焼により生じたガス（排気ガス）が、気筒１２から排出される（排気工程）。
【００８９】
このように、エンジン１１では、燃料が燃焼され、動力が出力されるとともに、高温の排気ガスが、排気管１７の内部を排気工程において通過する。
【００９０】
このとき、エンジン１１の熱が、排気ガスを介して伝達され、排気ガスの温度（排気管１７の内部温度）は、排気工程において上昇する。一方、その他の工程（吸気工程、圧縮工程、爆発工程）では、排気管１７内の排気ガス量が低減されるので、排気ガスの温度（排気管１７の内部温度）は下降する。
【００９１】
このように、排気ガスの温度は、排気工程において上昇し、吸気工程、圧縮工程および爆発工程において下降し、つまり、経時的に上下する。
【００９２】
とりわけ、上記の各工程は、ピストンサイクルに応じて、周期的に順次繰り返されるため、排気ガスは、上記の各工程の繰り返しの周期に伴って、周期的に温度変化、より具体的には、高温状態と低温状態とが、周期的に繰り返される。
【００９３】
このような車載発電システム１において、内燃機関２および排気ガスの温度は、高温状態における温度が、例えば、２００〜１２００℃、好ましくは、７００〜９００℃であり、低温状態における温度が、上記の高温状態における温度未満、より具体的には、例えば、１００〜８００℃、好ましくは、２００〜５００℃であり、高温状態と低温状態との温度差が、例えば、１０〜６００℃、好ましくは、２０〜５００℃である。
【００９４】
また、それら高温状態と低温状態との繰り返し周期は、例えば、１０〜４００サイクル／秒、好ましくは、３０〜１００サイクル／秒である。
【００９５】
そして、この車載発電システム１では、上記したように、排気管１７の内部に、第１デバイス３が配置されている。
【００９６】
そのため、エンジン１１（内燃機関２）から排出される排気ガスが、排気管１７内に導入されると、その排気管１７内において、第１デバイス３に排気ガスが供給され、第１デバイス３が、第２デバイス４を介して排気ガスに接触（曝露）され、加熱および／または冷却される。
【００９７】
すなわち、第１デバイス３が、エンジン１１（内燃機関２）、および、そのエンジン１１の熱を伝達する排気ガスの経時的な温度変化により、加熱および／または冷却される。
【００９８】
そして、これにより、第１デバイス３を、周期的に高温状態または低温状態にすることができ、第１デバイス３を、その素子（例えば、ピエゾ素子、焦電素子など）に応じた効果（例えば、ピエゾ効果、焦電効果など）により、電気分極させることができる。
【００９９】
そのため、この車載発電システム１では、第２デバイス４を介して、各第１デバイス３から電力を周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）として、取り出すことができる。
【０１００】
その後、この方法では、例えば、図１において点線で示すように、上記により得られた電力を、必要により第２デバイス４に接続される昇圧器（図示せず）で昇圧し、交流／直流変換器（図示せず）において直流電圧に変換した後、バッテリー８に蓄電する。バッテリー８に蓄電された電力は、自動車１０や、自動車１０に搭載される各種電気部品の動力などとして、適宜、用いることができる。
【０１０１】
一方、発電に用いられた排気ガスは、第１デバイス３を通過した後、必要により、一部が排気再循環システム２４によって循環されるとともに、残部が公知の触媒などによって浄化され、外気に排出される。
【０１０２】
具体的には、制御ユニット７によって還流量調節弁２６の開度が調節され、第１デバイス３を通過した排気ガスの一部が、還流管２５に供給され、サージタンク２３に輸送される。そして、サージタンク２３において、その排気ガスと、吸気管１６を介して供給された空気とが所定割合で混合され、混合気体が、エンジン１１に供給され、燃料の燃焼に供される。一方、排気ガスの還流される一部に対する残部は、公知の触媒などによって浄化され、外気に排出される。
【０１０３】
このように排気ガスの一部を排気再循環システム２４により循環させ、空気と混合して得られた混合気体をエンジン１１において用いることにより、排出される排気ガス中の窒素酸化物などを低減することができ、また、燃費の向上を図ることができる。
３．温度低下機構
上記した車載発電システム１では、排気ガスの温度によっては、第１デバイス３が高温、具体的には、そのキュリー点以上になり、第１デバイス３に損傷を生じる場合がある。このような場合には、車載発電システム１の発電性能が低下する場合や、発電不能となる場合がある。
【０１０４】
そこで、この車載発電システム１では、第１デバイス３が損傷し、発電性能が低下することや、発電不能となることを抑制するため、温度低下機構６により、第１デバイス３に供給される排気ガスの温度を低下させる。
【０１０５】
以下において、上記した車載発電システム１において、排気ガスの温度を低下させる方法について、詳述する。
【０１０６】
すなわち、この車載発電システム１では、第１デバイス３に供給される排気ガスの温度が、温度センサ５によって連続的に検知され、電気信号として制御ユニット７に入力される。
【０１０７】
そして、温度センサ５による検知温度が所定温度以上であるときに、制御ユニット７により、温度低下機構６が作動される。
【０１０８】
このような排気ガスの温度としては、その排気ガスが供給される第１デバイス３が高温、具体的には、キュリー点近傍となる９００℃である。
【０１０９】
温度低下機構６は、上記したように、排気再循環システム２４と、燃料噴射弁３０と、冷却媒体供給装置３１とを備えており、温度センサ５による検知温度が所定温度以上であるときに、制御ユニット７によって、これらが単独または複合的に制御される。
【０１１０】
排気再循環システム２４が制御される場合には、温度センサ５による検知温度が上記の所定温度以上であるときに、制御ユニット７により、還流量調節弁２６が制御され、その開度が大きくされることにより、排気ガスの還流量が増加される。
【０１１１】
そして、このように還流される排気ガスと、吸気管１６を介して供給された空気とがサージタンク２３において混合され、通常よりも排気ガスを多量に含んだ混合気体が、エンジン１１に供給され、燃料の燃焼に供され、排気ガスが排出される。
【０１１２】
このように、排気ガスの割合が増加された混合気体を燃料の燃焼に供することにより、気筒１２から排出される排気ガスの温度を低下させることができる。すなわち、このような方法によれば、第１デバイス３に供給される排気ガスの温度を低下することができる。
【０１１３】
そのため、このような車載発電システム１によれば、第１デバイス３が高温となって損傷することを抑制することができ、車載発電システム１の発電性能が低下することや、発電不能となることを抑制することができる。
【０１１４】
また、燃料噴射弁３０が制御される場合には、温度センサ５による検知温度が上記の所定温度以上であるときに、制御ユニット７により、燃料噴射弁３０が制御され、燃料の供給量が減少される。
【０１１５】
すなわち、上記したエンジン１１の駆動の吸気工程において、燃料噴射弁３０が制御され、その開度が小さくされることにより、燃料の供給量（噴射量）が減少される。
【０１１６】
そして、このように減少された燃料と、吸気管１６から供給された空気との混合気が、吸気バルブ１８が開かれることにより、気筒１２の燃焼室１４に供給され、吸気工程、圧縮工程、爆発工程、排気工程などが順次実施されることにより、排気ガスが排気される。
【０１１７】
このように、燃料の割合が減少された混合気を燃料の燃焼に供することにより、気筒１２から排出される排気ガスの温度を低下させることができる。すなわち、このような方法によれば、第１デバイス３に供給される排気ガスの温度を低下することができる。
【０１１８】
そのため、このような車載発電システム１によれば、第１デバイス３が高温となって損傷することを抑制することができ、車載発電システム１の発電性能が低下することや、発電不能となることを抑制することができる。
【０１１９】
また、冷却媒体供給装置３１が制御される場合には、温度センサ５による検知温度が上記の所定温度以上であるときに、制御ユニット７により、冷却媒体供給装置３１から冷却媒体が供給される。
【０１２０】
すなわち、温度センサ５による検知温度が上記の所定温度以上であるときに、制御ユニット７によって、冷却媒体供給ポンプ３４が駆動されるとともに、冷却媒体供給弁３３が開かれることによって、冷却媒体供給管３２を介して、冷却媒体（空気など）が排気管１７に供給される。
【０１２１】
このとき、冷却媒体供給装置３１は、排気管１７におけるエンジン１１と第１デバイス３との間に接続されているため、エンジン１１から排出され、温度センサ５により温度が検知された排気ガスは、第１デバイス３に供給される前に、冷却媒体供給装置３１により供給された冷却媒体と混合される。
【０１２２】
このように、冷却媒体供給装置３１によって冷却媒体を供給し、排気ガスと冷却媒体とを混合することにより、排気ガスの温度を低下させることができる。すなわち、このような方法によれば、第１デバイス３に供給される排気ガスの温度を低下することができる。
【０１２３】
そのため、このような車載発電システム１によれば、第１デバイス３が高温となって損傷することを抑制することができ、車載発電システム１の発電性能が低下することや、発電不能となることを抑制することができる。
【０１２４】
なお、温度低下機構６としては、温度センサ５による検知温度が上記の所定温度以上であるときに、上記した排気再循環システム２４、燃料噴射弁３０、および、冷却媒体供給装置３１のいずれかのみを作動させてもよく、また、２つ以上を複合的に作動させてもよい。
【０１２５】
そのような場合において、排気再循環システム２４における排気ガスの還流量や、燃料噴射弁３０による燃料の噴射量、冷却媒体供給装置３１による冷却媒体の供給量などは、必要に応じて、適宜調整される。
【符号の説明】
【０１２６】
１ 車載発電システム
２ 内燃機関
３ 第１デバイス
４ 第２デバイス
５ 温度センサ
６ 温度低下機構
７ 制御ユニット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車載発電システム、詳しくは、自動車などの車両に搭載される車載発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車エンジンなどの内燃機関や、ボイラー、空調設備などの熱交換器、発電機、モータなどの電動機関、照明などの発光装置などの各種エネルギー利用装置では、例えば、排熱、光などとして、多くの熱エネルギーが放出および損失されている。
【０００３】
近年、省エネルギー化の観点から、放出される熱エネルギーを回収し、エネルギー源として再利用することが要求されており、このような方法として、焦電素子を用いた熱電変換発電が、知られている。
【０００４】
具体的には、例えば、複数の焦電素子のそれぞれの温度を上昇させる加熱源と、それら焦電素子のそれぞれの温度を低下させる冷却源と、加熱源および冷却源、および／または、焦電素子を移動させる移動手段とを備える発電装置を用い、加熱源および冷却源により焦電素子の温度を周期的に上昇および下降させることによって、焦電素子から直流電力または交流電力を取り出す方法が、提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−３３２２６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方、このような発電方法としては、発電装置を自動車などの車両に搭載し、例えば、内燃機関から排気ガスが排出される排出管内に焦電素子を配置するとともに、その排気ガスを加熱源および冷却源として用いることなども検討することもできる。
【０００７】
しかるに、このような場合には、排気ガスの温度によっては、焦電素子が高温になると、焦電素子に損傷を生じ、発電性能が低下する場合や、発電不能となる場合がある。
【０００８】
本発明の目的は、デバイスが損傷し、発電性能が低下することや、発電不能となることを抑制できる車載発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の車載発電システムは、内燃機関と、前記内燃機関から排出され、温度が経時的に上下する排気ガスが供給されることにより電気分極する第１デバイスと、前記第１デバイスから電力を取り出すための第２デバイスと、前記排気ガスの温度を検知する検知手段と、前記第１デバイスに供給される排気ガスの温度を低下させる温度低下手段と、前記検知手段による検知温度が所定温度以上であるときに、前記温度低下手段を作動させる制御手段とを備えることを特徴としている。
【００１０】
また、本発明の車載発電システムでは、前記内燃機関が、エンジンと、前記エンジンに接続され、前記エンジンに空気を供給するための吸気管と、前記エンジンに接続され、前記エンジンから前記排気ガスを排出させるための排気管とを備え、前記第１デバイスが、前記排気管内に配置され、前記温度低下手段が、その一端が前記排気管における前記第１デバイスの下流側に接続され、その他端が前記吸気管に接続される還流管と、前記還流管において還流される前記排気ガスの還流量を調節するための還流量調節手段とを備えており、前記制御手段は、前記検知手段による検知温度が所定温度以上であるときに、前記還流量調節手段を制御して、前記排気ガスの前記還流量を増加させることが好適である。
【００１１】
また、本発明の車載発電システムでは、前記内燃機関が、エンジンと、前記エンジンに接続され、前記エンジンに空気を供給するための吸気管と、前記エンジンに接続され、前記エンジンから前記排気ガスを排出させるための排気管と、前記吸気管に設けられ、前記エンジンに燃料を供給するための燃料供給手段とを備え、前記第１デバイスが、前記排気管内に配置され、前記温度低下手段が、前記エンジンに対する前記燃料供給手段からの前記燃料の供給量を調節するための燃料供給量調節手段を備え、前記制御手段は、前記検知手段による検知温度が所定温度以上であるときに、前記燃料供給量調節手段を制御して、前記燃料の前記供給量を減少させることが好適である。
【００１２】
また、本発明の車載発電システムでは、前記内燃機関が、エンジンと、前記エンジンに接続され、前記エンジンから前記排気ガスを排出させるための排気管とを備え、前記第１デバイスが、前記排気管内に配置され、前記温度低下手段が、前記排気管における前記エンジンと前記第１デバイスとの間に接続され、冷却媒体を前記排気管に供給するための冷却媒体供給手段を備えており、前記制御手段は、前記検知手段による検知温度が所定温度以上であるときに、前記冷却媒体供給手段から冷却媒体を供給することが好適である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の車載発電システムでは、排気ガスの温度が検知され、その検知される検知温度が所定温度以上であるときに、制御手段により温度低下手段が作動され、第１デバイスに供給される排気ガスの温度が低下される。
【００１４】
そのため、このような車載発電システムによれば、第１デバイスが高温となって損傷することを抑制することができ、車載発電システムの発電性能が低下することや、発電不能となることを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の車載発電システムの一実施形態を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
１．車載発電システムの全体構成
図１は、本発明の車載発電システムの一実施形態を示す概略構成図である。
【００１７】
図１において、自動車１０は、車載発電システム１を備えている。
【００１８】
車載発電システム１は、内燃機関２と、内燃機関２から排出され、温度が経時的に上下する排気ガスが供給されることにより電気分極する第１デバイス３と、第１デバイス３から電力を取り出すための第２デバイス４と、排気ガスの温度を検知する検知手段としての温度センサ５と、第１デバイス３に供給される排気ガスの温度を低下させる温度低下手段としての温度低下機構６と、温度センサ５による検知温度が所定温度（後述）以上であるときに、温度低下機構６を作動させる制御手段としての制御ユニット７とを備えている。
【００１９】
内燃機関２は、エンジン１１、エンジン１１に空気を供給するための吸気管１６、エンジン１１から排気ガスを排出させるための排気管１７、および、エンジン１１に燃料を供給するための燃料供給手段としての燃料供給装置２０を備えている。
【００２０】
エンジン１１は、車両などの動力を出力する装置であって、例えば、単気筒型または多気筒型（例えば、２気筒型、４気筒型、６気筒型）が採用されるとともに、その各気筒において、多サイクル方式（例えば、２サイクル方式、４サイクル方式、６サイクル方式など）が採用される。
【００２１】
以下において、４気筒型が採用されるとともに、その各気筒で４サイクル方式が採用されるエンジン１１について、説明する。
【００２２】
このエンジン１１は、並列配置される複数（４つ）の気筒１２を備えている。なお、図１においては、１つの気筒１２を取り出して示し、その他の気筒１２については省略している。
【００２３】
各気筒１２は、ピストン１３、燃焼室１４および点火プラグ（図示せず）などを備えており、上流側が吸気管１６に接続されるとともに、下流側が排気管１７に接続されている。
【００２４】
また、各気筒１２は、吸気管１６と接続される接続部分において、吸気バルブ１８を備えるとともに、排気管１７と接続される接続部分において、排気バルブ１９を備えている。
【００２５】
吸気バルブ１８は、気筒１２と吸気管１６との接続部分において、気筒１２を開閉可能に設けられている。
【００２６】
排気バルブ１９は、気筒１２と排気管１７との接続部分において、気筒１２を開閉可能に設けられている。
【００２７】
これら吸気バルブ１８および排気バルブ１９は、図示しないが、スプリングなどの弾性力によって閉方向に付勢されている。これら吸気バルブ１８および排気バルブ１９は、例えば、カムシャフトの回転などによって、気筒１２を開閉可能としている。
【００２８】
吸気管１６は、エンジン１１に空気を供給するために設けられ、その下流側端部がエンジン１１の気筒１２に接続されるとともに、上流側端部が外気に開放されている。
【００２９】
吸気管１６は、後述するサージタンク２３の上流側において、スロットルバルブ２７を備えており、このスロットルバルブ２７の開閉により、エンジン１１が空気を取り込み可能としている。
【００３０】
また、吸気管１６は、サージタンク２３を備え、還流管２５（後述）が接続されている。
【００３１】
サージタンク２３は、エンジン１１の作動により吸気管１６に生じる吸気の脈動をとるものであって、さらに、吸気管１６において取り込まれた空気と、還流管２５（後述）により還流される排ガスとを混合することができ、ほぼ略直方体の箱型空間として区画されている。
【００３２】
排気管１７は、エンジン１１から排気ガスを排出させるために設けられ、その上流側端部がエンジン１１の気筒１２に接続されている。
【００３３】
また、図示しないが、複数（４つ）の気筒１２に接続される複数（４つ）の排気管１７は、それぞれ、エンジン１１よりも下流側において１つに集合されており、その集合された排気管１７の下流側端部は、外気に開放されている。これにより、エンジン１１から排出される排気ガスを集合させ、外気に放出可能としている。
【００３４】
燃料供給装置２０は、吸気管１６に設けられ、燃料タンク２１および燃料供給管２２を備えている。
【００３５】
燃料タンク２１は、エンジンに供給される燃料（例えば、ガソリンなど）が貯留されるタンクであって、耐熱耐圧容器などから形成されている。
【００３６】
燃料供給管２２は、燃料タンク２１からエンジン１１に燃料を供給するために設けられており、その上流側端部が燃料タンク２１に接続されるとともに、下流側端部が、後述する燃料噴射弁３０に接続されている。
【００３７】
第１デバイス３は、内燃機関２（エンジン１１）から排出され、温度が経時的に上下する排気ガスが供給されることにより、温度が経時的に上下され、電気分極するデバイスである。
【００３８】
ここでいう電気分極とは、結晶の歪みにともなう正負イオンの変位により誘電分極し電位差が生じる現象、例えばピエゾ効果、および／または、温度変化により誘電率が変化し電位差が生じる現象、例えば焦電効果などのように、材料に起電力が発生する現象と定義する。
【００３９】
このような第１デバイス３として、より具体的には、例えば、ピエゾ効果により電気分極するデバイス、焦電効果により電気分極するデバイスなどが挙げられる。
【００４０】
ピエゾ効果は、応力または歪みが加えられたときに、その応力または歪みの大きさに応じて電気分極する効果（現象）である。
【００４１】
このようなピエゾ効果により電気分極する第１デバイス３としては、特に制限されず、公知のピエゾ素子（圧電素子）を用いることができる。
【００４２】
第１デバイス３としてピエゾ素子が用いられる場合には、ピエゾ素子は、例えば、その周囲が固定部材により固定され、体積膨張が抑制された状態において、排気ガスに接触（曝露）されるように、排気管１７内に配置される。
【００４３】
固定部材としては、特に制限されず、例えば、後述する第２デバイス４（例えば、電極など）を用いることもできる。
【００４４】
そして、このような場合には、ピエゾ素子は、排気ガスの経時的な温度変化により、加熱または冷却され、これにより、膨張または収縮する。
【００４５】
このとき、ピエゾ素子は、固定部材により体積膨張が抑制されているため、ピエゾ素子は、固定部材に押圧され、ピエゾ効果（圧電効果）、または、キュリー点付近での相変態により、電気分極する。これにより、詳しくは後述するが、第２デバイス４を介して、ピエゾ素子から電力が取り出される。
【００４６】
また、このようなピエゾ素子は、通常、加熱状態または冷却状態が維持され、その温度が一定（すなわち、体積一定）になると、電気分極が中和され、その後、冷却または加熱されることにより、再度、電気分極する。
【００４７】
そのため、上記したように排気ガスが周期的に温度変化し、高温状態と低温状態とが周期的に繰り返される場合などには、ピエゾ素子が周期的に繰り返し加熱および冷却されるため、ピエゾ素子の電気分極およびその中和が、周期的に繰り返される。
【００４８】
その結果、後述する第２デバイス４により、電力が、周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）として取り出される。
【００４９】
焦電効果は、例えば、絶縁体（誘電体）などを加熱および冷却する時に、その温度変化に応じて絶縁体が電気分極する効果（現象）であって、第１効果および第２効果を含んでいる。
【００５０】
第１効果は、絶縁体の加熱時および冷却時において、その温度変化により自発分極し、絶縁体の表面に、電荷を生じる効果とされている。
【００５１】
また、第２効果は、絶縁体の加熱時および冷却時において、その温度変化により結晶構造に圧力変形が生じ、結晶構造に加えられる応力または歪みにより、圧電分極を生じる効果（ピエゾ効果、圧電効果）とされている。
【００５２】
このような焦電効果により電気分極するデバイスとしては、特に制限されず、公知の焦電素子を用いることができる。
【００５３】
第１デバイス３として焦電素子が用いられる場合には、焦電素子は、排気ガスに接触（曝露）されるように、排気管１７内に配置される。
【００５４】
このような場合において、焦電素子は、排気ガスの経時的な温度変化により、加熱または冷却され、その焦電効果（第１効果および第２効果を含む）により、電気分極する。これにより、詳しくは後述するが、第２デバイス４を介して、焦電素子から電力が取り出される。
【００５５】
また、このような焦電素子は、通常、加熱状態または冷却状態が維持され、その温度が一定になると、電気分極が中和され、その後、冷却または加熱されることにより、再度、電気分極する。
【００５６】
そのため、上記したように排気ガスが周期的に温度変化し、高温状態と低温状態とが周期的に繰り返される場合などには、焦電素子が周期的に繰り返し加熱および冷却されるため、焦電素子の電気分極およびその中和が、周期的に繰り返される。
【００５７】
その結果、後述する第２デバイス４により、電力が、周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）として取り出される。
【００５８】
このような第１デバイス３として、具体的には、上記したように、公知の焦電素子（例えば、ＢａＴｉＯ３、ＣａＴｉＯ３、（ＣａＢｉ）ＴｉＯ３、ＢａＮｄ２Ｔｉ５Ｏ１４、ＢａＳｍ２Ｔｉ４Ｏ１２、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）など）、公知のピエゾ素子（例えば、水晶（ＳｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ロッシェル塩（酒石酸カリウム−ナトリウム）（ＫＮａＣ４Ｈ４Ｏ６）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、リチウムテトラボレート（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、電気石（トルマリン）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）など）などを用いることができる。
【００５９】
これら第１デバイス３は、単独使用または２種類以上併用することができる。
【００６０】
第１デバイス３のキュリー点は、例えば、−７７℃以上、好ましくは、−１０℃以上であり、例えば、１３００℃以下、好ましくは、９００℃以下である。
【００６１】
また、第１デバイス３（絶縁体（誘電体））の比誘電率は、例えば、１以上、好ましくは、１００以上、より好ましくは、２０００以上である。
【００６２】
このような車載発電システム１では、第１デバイス３（絶縁体（誘電体））の比誘電率が高いほど、エネルギー変換効率が高く、高電圧で電力を取り出すことができるが、第１デバイス３の比誘電率が上記下限未満であれば、エネルギー変換効率が低く、得られる電力の電圧が低くなる場合がある。
【００６３】
なお、第１デバイス３（絶縁体（誘電体））は、排気ガスの温度変化によって電気分極するが、その電気分極は、電子分極、イオン分極および配向分極のいずれでもよい。
【００６４】
例えば、配向分極によって分極が発現する材料（例えば、液晶材料など）では、その分子構造を変化させることにより、発電効率の向上を図ることができるものと期待されている。
【００６５】
このような第１デバイス３は、排気管１７内、具体的には、排気管１７の、後述する冷却媒体供給管３２が接続される接続部分よりも下流側、かつ、後述する還流管２５が接続される接続部分よりも上流側において、例えば、互いに間隔を隔てて複数整列配置され、第２デバイス４（および必要により設けられる固定部材（図示せず））により、固定されている。なお、図１においては、１つの第１デバイス３を取り出して示し、その他の第１デバイス３については省略している。
【００６６】
これにより、第１デバイス３は、排気管１７内において、第２デバイス４を介して、排気ガスに接触（曝露）可能とされている。
【００６７】
第２デバイス４は、第１デバイス３から電力を取り出すために設けられる。
【００６８】
このような第２デバイス４は、より具体的には、特に制限されないが、例えば、上記の第１デバイス３を挟んで対向配置される２つの電極（例えば、銅電極、銀電極など）、例えば、それら電極に接続される導線などを備えており、第１デバイス３に電気的に接続されている。
【００６９】
また、第２デバイス４は、必要により、昇圧器（図示せず）、交流／直流変換器（ＡＣ−ＤＣコンバーター）（図示せず）などを介して、バッテリー８に、電気的に接続されている。
【００７０】
温度センサ５は、排気ガスの温度を検知するため、排気管１７内において、第１デバイス３よりも上流側に配置される。温度センサ５は、排気ガスの温度として、排気管１７内を通過する排気ガスの温度を直接検知するか、または、第１デバイス３の表面温度を検知することにより、排気ガス温度を検知する。温度センサ５としては、例えば、赤外放射温度計や、熱電対温度計などの公知の温度計が用いられる。
【００７１】
温度低下機構６は、排気ガスを排気管１７から吸気管１６に還流させる排気再循環（ＥＧＲ：Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）システム２４と、燃料供給量調節手段としての燃料噴射弁３０と、冷却媒体供給手段としての冷却媒体供給装置３１とを備えている。
【００７２】
排気再循環システム２４は、エンジン１１から排出される排気ガスを還流させるための還流管２５と、還流管２５において還流される排気ガスの還流量を調節するための還流量調節手段としての還流量調節弁２６とを備えている。
【００７３】
還流管２５は、その一端（上流側端部）が排気管１７の第１デバイス３の下流側に接続され、その他端（下流側端部）が、吸気管１６の流れ方向途中に接続されている。
【００７４】
還流量調節弁２６は、還流管２５を開閉するための弁であって、還流管２５の流れ方向途中に介在されている。還流量調節弁２６としては、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が用いられる。また、還流量調節弁２６は、制御ユニット７（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、制御ユニット７（後述）からの制御信号が、還流量調節弁２６に入力され、制御ユニット７（後述）が、還流量調節弁２６の開閉および開度を制御する。
【００７５】
燃料噴射弁３０は、エンジン１１に対する燃料供給装置２０からの燃料の供給量を調節するとともに、その燃料をエンジン１１に対して噴射するための弁であって、燃料供給管２２の下流側端部に設けられ、吸気管１６の吸気バルブ１８よりも上流側に接続されている。
【００７６】
燃料噴射弁３０としては、特に制限されず、公知の噴射弁を用いることができる。また、燃料噴射弁３０は、制御ユニット７（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、制御ユニット７（後述）からの制御信号が、燃料噴射弁３０に入力され、制御ユニット７（後述）が、燃料噴射弁３０の開閉および開度、すなわち、燃料噴射弁による燃料の噴射量（エンジン１１に対する燃料の供給量）を制御する。
【００７７】
冷却媒体供給装置３１は、冷却媒体（例えば、空気（以下同様））を排気管１７に供給するために設けられており、排気管１７におけるエンジン１１と第１デバイス３との間に接続されている。
【００７８】
このような冷却媒体供給装置３１は、冷却媒体供給管３２、冷却媒体供給弁３３および冷却媒体供給ポンプ３４を備えている。
【００７９】
冷却媒体供給管３２は、冷却媒体を排気管１７に供給するために設けられており、その下流側端部が排気管１７の流れ方向途中、具体的には、排気管１７内に配置される第１デバイス３よりも上流側、かつ、温度センサ５よりも下流側に接続されている。また、冷却媒体供給管３２の上流側端部は外気に開放されており、冷却媒体を取り込み可能としている。
【００８０】
冷却媒体供給弁３３は、冷却媒体供給管３２を開閉するための弁であって、冷却媒体供給管３２の流れ方向途中に介在されている。冷却媒体供給弁３３としては、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が用いられる。また、冷却媒体供給弁３３は、制御ユニット７（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、制御ユニット７（後述）からの制御信号が、冷却媒体供給弁３３に入力され、制御ユニット７（後述）が、冷却媒体供給弁３３の開閉および開度を制御する。
【００８１】
冷却媒体供給ポンプ３４は、冷却媒体を冷却媒体供給管３２内に輸送するためのポンプであって、冷却媒体供給弁３３よりも上流側において、冷却媒体供給管３２に介在されている。冷却媒体供給ポンプ３４としては、例えば、ロータリーポンプ、ギヤポンプなどの回転式ポンプ、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプなどの往復式ポンプなど、公知のポンプが用いられる。冷却媒体供給ポンプ３４は、制御ユニット７（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。これにより、制御ユニット７（後述）からの制御信号が、冷却媒体供給ポンプ３４に入力され、制御ユニット７（後述）が、冷却媒体供給ポンプ３４の駆動および停止を制御する。
【００８２】
制御ユニット７は、車載発電システム１における電気的な制御を実行するユニット（例えば、ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）であり、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータで構成されている。
【００８３】
この制御ユニット７は、図１において破線で示すように、温度センサ５、還流量調節弁２６、燃料噴射弁３０、冷却媒体供給弁３３およびに冷却媒体供給ポンプ３４に電気的に接続されており、温度センサ５からの電気信号が入力可能とされるとともに、還流量調節弁２６、燃料噴射弁３０および冷却媒体供給弁３３の開閉および開度や、冷却媒体供給ポンプ３４の駆動および停止を制御可能としている。
２．発電方法
以下において、上記した車載発電システム１を用いた発電方法について、詳述する。
【００８４】
この車載発電システム１では、エンジン１１の駆動により、気筒１２においてピストンの昇降運動が繰り返されており、これにより、例えば、４サイクル方式では、吸気工程、圧縮工程、爆発工程、排気工程などが順次実施される。
【００８５】
より具体的には、このエンジン１１では、まず、スロットルバルブ２７が開かれ、吸気管１６から空気が供給されるとともに、燃料供給管２２から所定量の燃料が燃料噴射弁３０によって供給（噴射）され、それらが混合される。そして、空気と燃料との混合気が、吸気バルブ１８が開かれることにより、気筒１２の燃焼室１４に供給される（吸気工程）。
【００８６】
次いで、吸気バルブ１８が閉じられ、ピストン１３が上昇することにより、燃焼室１４の混合気が圧縮され、高温化される（圧縮工程）。
【００８７】
次いで、図示しない点火プラグにより混合気が点火され、爆発的に燃焼されるとともに、ピストン１３が爆発により押し下げられる（爆発工程）。
【００８８】
その後、排気バルブ１９が開かれ、燃焼により生じたガス（排気ガス）が、気筒１２から排出される（排気工程）。
【００８９】
このように、エンジン１１では、燃料が燃焼され、動力が出力されるとともに、高温の排気ガスが、排気管１７の内部を排気工程において通過する。
【００９０】
このとき、エンジン１１の熱が、排気ガスを介して伝達され、排気ガスの温度（排気管１７の内部温度）は、排気工程において上昇する。一方、その他の工程（吸気工程、圧縮工程、爆発工程）では、排気管１７内の排気ガス量が低減されるので、排気ガスの温度（排気管１７の内部温度）は下降する。
【００９１】
このように、排気ガスの温度は、排気工程において上昇し、吸気工程、圧縮工程および爆発工程において下降し、つまり、経時的に上下する。
【００９２】
とりわけ、上記の各工程は、ピストンサイクルに応じて、周期的に順次繰り返されるため、排気ガスは、上記の各工程の繰り返しの周期に伴って、周期的に温度変化、より具体的には、高温状態と低温状態とが、周期的に繰り返される。
【００９３】
このような車載発電システム１において、内燃機関２および排気ガスの温度は、高温状態における温度が、例えば、２００〜１２００℃、好ましくは、７００〜９００℃であり、低温状態における温度が、上記の高温状態における温度未満、より具体的には、例えば、１００〜８００℃、好ましくは、２００〜５００℃であり、高温状態と低温状態との温度差が、例えば、１０〜６００℃、好ましくは、２０〜５００℃である。
【００９４】
また、それら高温状態と低温状態との繰り返し周期は、例えば、１０〜４００サイクル／秒、好ましくは、３０〜１００サイクル／秒である。
【００９５】
そして、この車載発電システム１では、上記したように、排気管１７の内部に、第１デバイス３が配置されている。
【００９６】
そのため、エンジン１１（内燃機関２）から排出される排気ガスが、排気管１７内に導入されると、その排気管１７内において、第１デバイス３に排気ガスが供給され、第１デバイス３が、第２デバイス４を介して排気ガスに接触（曝露）され、加熱および／または冷却される。
【００９７】
すなわち、第１デバイス３が、エンジン１１（内燃機関２）、および、そのエンジン１１の熱を伝達する排気ガスの経時的な温度変化により、加熱および／または冷却される。
【００９８】
そして、これにより、第１デバイス３を、周期的に高温状態または低温状態にすることができ、第１デバイス３を、その素子（例えば、ピエゾ素子、焦電素子など）に応じた効果（例えば、ピエゾ効果、焦電効果など）により、電気分極させることができる。
【００９９】
そのため、この車載発電システム１では、第２デバイス４を介して、各第１デバイス３から電力を周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）として、取り出すことができる。
【０１００】
その後、この方法では、例えば、図１において点線で示すように、上記により得られた電力を、必要により第２デバイス４に接続される昇圧器（図示せず）で昇圧し、交流／直流変換器（図示せず）において直流電圧に変換した後、バッテリー８に蓄電する。バッテリー８に蓄電された電力は、自動車１０や、自動車１０に搭載される各種電気部品の動力などとして、適宜、用いることができる。
【０１０１】
一方、発電に用いられた排気ガスは、第１デバイス３を通過した後、必要により、一部が排気再循環システム２４によって循環されるとともに、残部が公知の触媒などによって浄化され、外気に排出される。
【０１０２】
具体的には、制御ユニット７によって還流量調節弁２６の開度が調節され、第１デバイス３を通過した排気ガスの一部が、還流管２５に供給され、サージタンク２３に輸送される。そして、サージタンク２３において、その排気ガスと、吸気管１６を介して供給された空気とが所定割合で混合され、混合気体が、エンジン１１に供給され、燃料の燃焼に供される。一方、排気ガスの還流される一部に対する残部は、公知の触媒などによって浄化され、外気に排出される。
【０１０３】
このように排気ガスの一部を排気再循環システム２４により循環させ、空気と混合して得られた混合気体をエンジン１１において用いることにより、排出される排気ガス中の窒素酸化物などを低減することができ、また、燃費の向上を図ることができる。
３．温度低下機構
上記した車載発電システム１では、排気ガスの温度によっては、第１デバイス３が高温、具体的には、そのキュリー点以上になり、第１デバイス３に損傷を生じる場合がある。このような場合には、車載発電システム１の発電性能が低下する場合や、発電不能となる場合がある。
【０１０４】
そこで、この車載発電システム１では、第１デバイス３が損傷し、発電性能が低下することや、発電不能となることを抑制するため、温度低下機構６により、第１デバイス３に供給される排気ガスの温度を低下させる。
【０１０５】
以下において、上記した車載発電システム１において、排気ガスの温度を低下させる方法について、詳述する。
【０１０６】
すなわち、この車載発電システム１では、第１デバイス３に供給される排気ガスの温度が、温度センサ５によって連続的に検知され、電気信号として制御ユニット７に入力される。
【０１０７】
そして、温度センサ５による検知温度が所定温度以上であるときに、制御ユニット７により、温度低下機構６が作動される。
【０１０８】
このような排気ガスの温度としては、その排気ガスが供給される第１デバイス３が高温、具体的には、キュリー点近傍となる９００℃である。
【０１０９】
温度低下機構６は、上記したように、排気再循環システム２４と、燃料噴射弁３０と、冷却媒体供給装置３１とを備えており、温度センサ５による検知温度が所定温度以上であるときに、制御ユニット７によって、これらが単独または複合的に制御される。
【０１１０】
排気再循環システム２４が制御される場合には、温度センサ５による検知温度が上記の所定温度以上であるときに、制御ユニット７により、還流量調節弁２６が制御され、その開度が大きくされることにより、排気ガスの還流量が増加される。
【０１１１】
そして、このように還流される排気ガスと、吸気管１６を介して供給された空気とがサージタンク２３において混合され、通常よりも排気ガスを多量に含んだ混合気体が、エンジン１１に供給され、燃料の燃焼に供され、排気ガスが排出される。
【０１１２】
このように、排気ガスの割合が増加された混合気体を燃料の燃焼に供することにより、気筒１２から排出される排気ガスの温度を低下させることができる。すなわち、このような方法によれば、第１デバイス３に供給される排気ガスの温度を低下することができる。
【０１１３】
そのため、このような車載発電システム１によれば、第１デバイス３が高温となって損傷することを抑制することができ、車載発電システム１の発電性能が低下することや、発電不能となることを抑制することができる。
【０１１４】
また、燃料噴射弁３０が制御される場合には、温度センサ５による検知温度が上記の所定温度以上であるときに、制御ユニット７により、燃料噴射弁３０が制御され、燃料の供給量が減少される。
【０１１５】
すなわち、上記したエンジン１１の駆動の吸気工程において、燃料噴射弁３０が制御され、その開度が小さくされることにより、燃料の供給量（噴射量）が減少される。
【０１１６】
そして、このように減少された燃料と、吸気管１６から供給された空気との混合気が、吸気バルブ１８が開かれることにより、気筒１２の燃焼室１４に供給され、吸気工程、圧縮工程、爆発工程、排気工程などが順次実施されることにより、排気ガスが排気される。
【０１１７】
このように、燃料の割合が減少された混合気を燃料の燃焼に供することにより、気筒１２から排出される排気ガスの温度を低下させることができる。すなわち、このような方法によれば、第１デバイス３に供給される排気ガスの温度を低下することができる。
【０１１８】
そのため、このような車載発電システム１によれば、第１デバイス３が高温となって損傷することを抑制することができ、車載発電システム１の発電性能が低下することや、発電不能となることを抑制することができる。
【０１１９】
また、冷却媒体供給装置３１が制御される場合には、温度センサ５による検知温度が上記の所定温度以上であるときに、制御ユニット７により、冷却媒体供給装置３１から冷却媒体が供給される。
【０１２０】
すなわち、温度センサ５による検知温度が上記の所定温度以上であるときに、制御ユニット７によって、冷却媒体供給ポンプ３４が駆動されるとともに、冷却媒体供給弁３３が開かれることによって、冷却媒体供給管３２を介して、冷却媒体（空気など）が排気管１７に供給される。
【０１２１】
このとき、冷却媒体供給装置３１は、排気管１７におけるエンジン１１と第１デバイス３との間に接続されているため、エンジン１１から排出され、温度センサ５により温度が検知された排気ガスは、第１デバイス３に供給される前に、冷却媒体供給装置３１により供給された冷却媒体と混合される。
【０１２２】
このように、冷却媒体供給装置３１によって冷却媒体を供給し、排気ガスと冷却媒体とを混合することにより、排気ガスの温度を低下させることができる。すなわち、このような方法によれば、第１デバイス３に供給される排気ガスの温度を低下することができる。
【０１２３】
そのため、このような車載発電システム１によれば、第１デバイス３が高温となって損傷することを抑制することができ、車載発電システム１の発電性能が低下することや、発電不能となることを抑制することができる。
【０１２４】
なお、温度低下機構６としては、温度センサ５による検知温度が上記の所定温度以上であるときに、上記した排気再循環システム２４、燃料噴射弁３０、および、冷却媒体供給装置３１のいずれかのみを作動させてもよく、また、２つ以上を複合的に作動させてもよい。
【０１２５】
そのような場合において、排気再循環システム２４における排気ガスの還流量や、燃料噴射弁３０による燃料の噴射量、冷却媒体供給装置３１による冷却媒体の供給量などは、必要に応じて、適宜調整される。
【符号の説明】
【０１２６】
１ 車載発電システム
２ 内燃機関
３ 第１デバイス
４ 第２デバイス
５ 温度センサ
６ 温度低下機構
７ 制御ユニット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関と、
前記内燃機関から排出され、温度が経時的に上下する排気ガスが供給されることにより電気分極する第１デバイスと、
前記第１デバイスから電力を取り出すための第２デバイスと、
前記排気ガスの温度を検知する検知手段と、
前記第１デバイスに供給される排気ガスの温度を低下させる温度低下手段と、
前記検知手段による検知温度が所定温度以上であるときに、前記温度低下手段を作動させる制御手段と
を備えることを特徴とする、車載発電システム。
【請求項２】
前記内燃機関が、エンジンと、前記エンジンに接続され、前記エンジンに空気を供給するための吸気管と、前記エンジンに接続され、前記エンジンから前記排気ガスを排出させるための排気管とを備え、
前記第１デバイスが、前記排気管内に配置され、
前記温度低下手段が、その一端が前記排気管における前記第１デバイスの下流側に接続され、その他端が前記吸気管に接続される還流管と、前記還流管において還流される前記排気ガスの還流量を調節するための還流量調節手段とを備えており、
前記制御手段は、前記検知手段による検知温度が所定温度以上であるときに、前記還流量調節手段を制御して、前記排気ガスの前記還流量を増加させることを特徴とする、請求項１に記載の車載発電システム。
【請求項３】
前記内燃機関が、エンジンと、前記エンジンに接続され、前記エンジンに空気を供給するための吸気管と、前記エンジンに接続され、前記エンジンから前記排気ガスを排出させるための排気管と、前記吸気管に設けられ、前記エンジンに燃料を供給するための燃料供給手段とを備え、
前記第１デバイスが、前記排気管内に配置され、
前記温度低下手段が、前記エンジンに対する前記燃料供給手段からの前記燃料の供給量を調節するための燃料供給量調節手段を備え、
前記制御手段は、前記検知手段による検知温度が所定温度以上であるときに、前記燃料供給量調節手段を制御して、前記燃料の前記供給量を減少させることを特徴とする、請求項１に記載の車載発電システム。
【請求項４】
前記内燃機関が、エンジンと、前記エンジンに接続され、前記エンジンから前記排気ガスを排出させるための排気管とを備え、
前記第１デバイスが、前記排気管内に配置され、
前記温度低下手段が、前記排気管における前記エンジンと前記第１デバイスとの間に接続され、冷却媒体を前記排気管に供給するための冷却媒体供給手段を備えており、
前記制御手段は、前記検知手段による検知温度が所定温度以上であるときに、前記冷却媒体供給手段から冷却媒体を供給することを特徴とする、請求項１に記載の車載発電システム。
【請求項１】
内燃機関と、
前記内燃機関から排出され、温度が経時的に上下する排気ガスが供給されることにより電気分極する第１デバイスと、
前記第１デバイスから電力を取り出すための第２デバイスと、
前記排気ガスの温度を検知する検知手段と、
前記第１デバイスに供給される排気ガスの温度を低下させる温度低下手段と、
前記検知手段による検知温度が所定温度以上であるときに、前記温度低下手段を作動させる制御手段と
を備えることを特徴とする、車載発電システム。
【請求項２】
前記内燃機関が、エンジンと、前記エンジンに接続され、前記エンジンに空気を供給するための吸気管と、前記エンジンに接続され、前記エンジンから前記排気ガスを排出させるための排気管とを備え、
前記第１デバイスが、前記排気管内に配置され、
前記温度低下手段が、その一端が前記排気管における前記第１デバイスの下流側に接続され、その他端が前記吸気管に接続される還流管と、前記還流管において還流される前記排気ガスの還流量を調節するための還流量調節手段とを備えており、
前記制御手段は、前記検知手段による検知温度が所定温度以上であるときに、前記還流量調節手段を制御して、前記排気ガスの前記還流量を増加させることを特徴とする、請求項１に記載の車載発電システム。
【請求項３】
前記内燃機関が、エンジンと、前記エンジンに接続され、前記エンジンに空気を供給するための吸気管と、前記エンジンに接続され、前記エンジンから前記排気ガスを排出させるための排気管と、前記吸気管に設けられ、前記エンジンに燃料を供給するための燃料供給手段とを備え、
前記第１デバイスが、前記排気管内に配置され、
前記温度低下手段が、前記エンジンに対する前記燃料供給手段からの前記燃料の供給量を調節するための燃料供給量調節手段を備え、
前記制御手段は、前記検知手段による検知温度が所定温度以上であるときに、前記燃料供給量調節手段を制御して、前記燃料の前記供給量を減少させることを特徴とする、請求項１に記載の車載発電システム。
【請求項４】
前記内燃機関が、エンジンと、前記エンジンに接続され、前記エンジンから前記排気ガスを排出させるための排気管とを備え、
前記第１デバイスが、前記排気管内に配置され、
前記温度低下手段が、前記排気管における前記エンジンと前記第１デバイスとの間に接続され、冷却媒体を前記排気管に供給するための冷却媒体供給手段を備えており、
前記制御手段は、前記検知手段による検知温度が所定温度以上であるときに、前記冷却媒体供給手段から冷却媒体を供給することを特徴とする、請求項１に記載の車載発電システム。
【図１】
【公開番号】特開２０１３−９６２７６（Ｐ２０１３−９６２７６Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３８４９０（Ｐ２０１１−２３８４９０）
【出願日】平成２３年１０月３１日（２０１１．１０．３１）
【出願人】（０００００２９６７）ダイハツ工業株式会社 (2,560)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月３１日（２０１１．１０．３１）
【出願人】（０００００２９６７）ダイハツ工業株式会社 (2,560)
【Ｆターム（参考）】
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