JP2004314904A - 車載用燃焼器付発電システム - Google Patents
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Abstract
【課題】車載燃焼器からの排熱を回収して熱エネルギや電気エネルギを取り出し、エンジン停止時にも電力供給や車内暖房が可能で、環境に優しく経済性に優れた車載用燃焼器付発電システムを提供する。
【解決手段】本発明に係る車載用燃焼器付発電システムは、エンジンから独立して設置された車載用燃焼器１１と、この車載用燃焼器１１内での燃焼による熱を受熱した熱媒体を導く高温側系統２１と、この熱媒体により低温側の媒体を熱交換可能に流通させる低温側系統２２と、高温側系統２１と低温側系統２２の間に配設され、熱媒体の熱エネルギを電気エネルギとして回収する発電装置１２とを備える。発電システム１０は発電装置１２で発電した電力を車載用バッテリ１３あるいは設備駆動用電源１４に供給するように構成される。
【選択図】 図１
【解決手段】本発明に係る車載用燃焼器付発電システムは、エンジンから独立して設置された車載用燃焼器１１と、この車載用燃焼器１１内での燃焼による熱を受熱した熱媒体を導く高温側系統２１と、この熱媒体により低温側の媒体を熱交換可能に流通させる低温側系統２２と、高温側系統２１と低温側系統２２の間に配設され、熱媒体の熱エネルギを電気エネルギとして回収する発電装置１２とを備える。発電システム１０は発電装置１２で発電した電力を車載用バッテリ１３あるいは設備駆動用電源１４に供給するように構成される。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は小型・軽量・コンパクトな燃焼器付発電システムに係り、特に、車載用燃焼器から発生する熱エネルギを電気エネルギとして回収し、車載用バッテリの負荷を軽減する車載用燃焼器付発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、人類のエネルギ消費量は歴史的に例を見ない程増加が加速された結果、ＣＯ２などの温暖化ガスによる地球温暖化の問題が浮上している。ＣＯ２発生をできるだけ抑制するために、現在捨てられている未利用の排熱エネルギを、可能な限り電気エネルギとして回収する発電システムの出現が渇望されている。
【０００３】
自動車産業においては、ＣＯ２発生をできるだけ抑制するために、エンジン性能の向上による燃費向上や、車体重量の軽量化による燃費向上が促進されている。さらに、技術性能の改善による燃費向上に加え、運転時のアイドリング規制が世界的に広まり、アイドリングストップ運動が推進されつつある。アイドリング規制は最も開発費が少なく手軽に実施できる環境対策である上、ＣＯ２発生量の削減効果が高いことから、注目されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
車両のアイドリングを停止させると、エンジンの始動回数が増加するため、運転期間中の全エンジン始動に必要なトータルの電力は増大することになる。しかしながらエンジン始動時の電源としてオルタネータ等の車載発電機は使用できないことから、使用電力は車載用バッテリからのみの供給に頼らざるを得ない。このため、アイドリングストップの実効性を向上させるためにはバッテリ容量を増大させなければならないという問題があり、バッテリ容量の増大は車重量が増加し、燃費が低下するという新たな課題が発生する。
【０００５】
また、車載用バッテリ容量を増大させずにアイドリングストップを実現するためには、バッテリを酷使することを許容し、バッテリ寿命を短くして使用しなければならないという問題があった。このため、車のコストが上がるという問題もあった。
【０００６】
また、車載用バッテリのバッテリ容量が不足した場合、エンジン再始動時に、車載用バッテリの電力供給能力が低下し、エンジンの再スタートが不可能になるという問題があった。
【０００７】
一方、アイドリングをストップしたままでは車内の暖気を取ることができないことから、寒冷期の長い高緯度に位置する諸国では、エンジンを停止した状態でも車内暖気が可能な車載用燃焼ヒータが販売されている。車載用燃焼ヒータは、燃料として軽油またはガソリン等の化石燃料を用い、化石燃料の燃焼により、エンジンを停止した状態で車内を暖房するための暖気を得ている。
【０００８】
自動車搭載用の燃焼ヒータが消費する燃料は、アイドリング状態のエンジンから暖気を得る場合に消費する燃料に比べて少なくて済むことから、ＣＯ２の削減を実現している。しかしながら、空気循環用ファンまたは暖房用温水ポンプの駆動電源、およびそれらに付随する制御用電源としては車載用バッテリが用いられており、車載用バッテリのバッテリ容量との関係で長時間の暖気はできないという問題があった。
【０００９】
さらに、自動車搭載用の燃焼ヒータにおいては、燃焼排気ガスを処理せずそのまま車外に排出しているため、環境への負荷が大きいという問題があった。
【００１０】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、車載燃焼器からの排熱を回収して熱エネルギや電気エネルギを取り出し、エンジン停止時にも電力の供給が可能で、環境に優しく経済性に優れた車載用燃焼器付発電システムを提供することを目的とする。
【００１１】
本発明の他の目的は、アイドリングストップ時にも車内環境の快適化が図れ、車内暖房にアイドリング運転を不要とした車載用燃焼器付発電システムを提供することにある。
【００１２】
本発明のさらに他の目的は、車載用バッテリの負荷を軽減し、バッテリ容量やバッテリ寿命を損なうことなく、アイドリングストップを実現し、アイドリングストップ時にも車載用ヒータの連続使用が可能で、車内の電力不足を解消させる車載用燃焼器付発電システムを提供することにある。
【００１３】
また、本発明の別の目的は、アイドリングストップ時にも車載用ヒータの駆動電源を確保でき、燃焼器付発電装置で発生した電力を用いて排気ガスの浄化、環境負荷を低減させ得る車載用燃焼器付発電システムを提供することにある。
【００１４】
本発明のさらに別の目的は、車載用燃焼器をエンジンから独立した独立燃焼方式に設定して排気ガス量を削減し、燃費を大幅に軽減し、環境負荷を軽減させた車載用燃焼器付発電システムを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る車載用燃焼器付発電システムは、上述した課題を解決するために、請求項１に記載したように、エンジンから独立して設置された車載用燃焼器と、この車載用燃焼器に付設あるいは組み込まれ、燃焼による熱エネルギを電気エネルギとして回収する発電装置とを備え、この発電装置で発電した電力を、前記エンジンの停止時にも供給可能に構成したものである。
【００１６】
また、本発明に係る車載用燃焼器付発電システムは、上述した課題を解決するために、請求項２に記載したように、エンジンから独立して設置された車載用燃焼器と、この車載用燃焼器内での燃焼による熱を受熱した熱媒体を導く高温側系統と、この熱媒体により低温側の媒体を熱交換可能に流通させる低温側系統と、前記高温側系統と低温側系統の間に配設され、前記熱媒体の熱エネルギを電気エネルギとして回収する発電装置とを備え、この発電装置で発電した電力を車載用バッテリあるいは設備駆動用電源に供給するように構成されたものである。
【００１７】
また、上述した課題を解決するために、本発明に係る車載用燃焼器付発電システムは、請求項３に記載したように、前記高温側系統の熱媒体は、車載用燃焼器の燃焼室内での燃焼ガスあるいは燃焼室から排出される排気ガスであり、低温側系統の媒体は、外気あるいは車内空気であり、また、請求項４に記載したように、前記高温側系統の熱媒体は、車載用燃焼器の燃焼室内での燃焼ガスあるいは燃焼室から排出される排気ガスであり、低温側系統の媒体は、ラジエータあるいは車内暖房設備から導かれる水であり、さらに、請求項５に記載したように、前記高温側系統の熱媒体は、車載用燃焼器の燃焼後における排気ガスであり、前記低温側系統の媒体は、外気もしくは車内空気であり、さらにまた、請求項６に記載したように、前記高温側系統の熱媒体は、車載用燃焼器の燃焼室内での燃焼ガスあるいは燃焼室から排出される排気ガスであり、前記低温側系統の媒体は、ラジエータあるいは車内暖房設備から導かれる水である。
【００１８】
一方、上述した課題を解決するために、本発明に係る車載用燃焼器付発電システムは、請求項７に記載したように、前記車載用燃焼器からのガス排気路に排気ガス浄化システムが設けられ、上記排気ガス浄化システムは排気ガスに放電処理を行なって化学活性種を生成する放電反応部と、この放電反応部で生成された化学活性種により活性化される触媒剤を有する触媒反応部とを備えたものであり、また、請求項８に記載したように、前記発電装置は、発生した電力を排気ガス浄化システム、車載用バッテリおよび設備駆動用電源の少なくとも１つに供給可能に構成されたものであり、また、請求項９に記載したように、前記発電装置は、熱電気発電素子もしくは熱電子発電素子または各発電素子の集合体で構成されたものである。
【００１９】
また、上述した課題を解決するために、本発明に係る車載用燃焼器付発電システムは、請求項１０に記載したように、前記発電装置には、発生電力を使用時負荷と適合する電圧に調節する昇圧手段もしくは降圧手段が備えられたものであり、請求項１１に記載したように、前記発電装置は、発生電圧を自動的に感知する電圧判定回路を備え、この電圧判定回路は発電装置から負荷への電気回路のＯＮ／ＯＦＦ制御等の電力系統制御を行なうように構成したものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る車載用燃焼器付発電システムの実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は本発明に係る車載用燃焼器付発電システムの第１実施形態を原理的に示す概略図であり、図２は図１に示された車載用燃焼器付発電システムの内部構造例を示す概略図である。
【００２２】
この車載用燃焼器付発電システム１０は、大型車両や商用車両、乗用車両の車室（エンジンルームを含む）内に図示しないエンジンから独立して設置される。この発電設備１０は小型・軽量でコンパクトな車載用燃焼器１１を一体的に備えたヒータ付発電装置１２を備え、車両のエンジン停止時にも必要な電力を発生させ、供給できるようになっている。
【００２３】
車載用燃焼器付発電システム１０は、車載用バッテリ１３等により駆動される駆動用モータ１４を備え、この駆動用モータ１４のモータ駆動により送風ファン１５および燃料ポンプ１６が駆動される。送風ファン１５および燃料ポンプ１６は駆動用モータ１４のモータ出力軸１７にそれぞれ設けられる。送風ファン１５および燃料ポンプ１６は共通の駆動軸を有する。送風ファン１５および燃料ポンプ１６を各駆動モータで個別に駆動させてもよい。
【００２４】
また、発電システム１０に備えられる車載用燃焼器１１は、吸気と燃料を混合燃焼させる燃焼室２０と、燃焼室２０内での燃焼による熱を受熱した熱媒体である燃焼ガスから回収する高温側系統２１と、吸収した熱を媒体である吸気または水に放熱する低温側系統２２と、高温側系統２１と低温側系統２２の間に設置され、燃焼熱による熱エネルギを電気エネルギに変換する発電装置１２とを備える。
【００２５】
車載用燃焼器１１は、具体的には、図２に示すように構成される。車載用燃焼器１１は、筒状の本体ケーシング２４内に、燃焼筒を構成する燃焼器ケーシング２５が略同心状に収納され、燃焼ヒータを構成している。燃焼器ケーシング２５内に燃焼室２０が形成される一方、燃焼器ケーシング２５の外周壁に複数の発電モジュール２６が付設される。各発電モジュール２６は燃焼室２０の外周壁の略全体に亘って設けられ、各発電モジュール２６を組み立てることで発電装置１２を構成している。
【００２６】
車載用燃焼器１１は車載用バッテリ１３等の電源により駆動用モータ１４が駆動され、送風ファン１５および燃料ポンプ１６を回転駆動させる。送風ファン１５の回転駆動により空気供給路２７を通して車外の空気または車内の空気を筒状本体ケーシング２４内に取り込み、燃焼室２０および燃焼器ケーシング２５周りの放熱流路２８に供給される。この放熱流路２８は、本体ケーシング２４と燃焼器ケーシング２５との間に形成される筒状流路であり、燃焼器ケーシング２５からの放射熱を受けて筒状流路に取り込まれた空気を加熱するようになっている。放熱流路２８を通る空気は加熱され、低温側系統２２を構成する低温媒体である暖気となって車内暖房等に供される。
【００２７】
また、車載用燃焼器１１の燃焼室２０には燃料ポンプ１６の回転駆動により、図示しない燃料タンクに貯溜されたガソリン、軽油等の燃料が燃料供給路２９から供給される。この燃料は燃焼室２０内で吸気と混合されて燃焼する。燃焼により発生した燃焼ガスは、排気ガスとなってガス排気路３０を通って外部に排出される。燃焼室２０内での燃焼により発生した熱は、高温側系統２１を構成する熱媒体である燃焼ガスによって回収され、発電装置１２に送られる。
【００２８】
発電装置１２に送られた熱は、各発電モジュール２６で電力に変換され、変換された電力は、車載用バッテリ１３に蓄えられる一方、駆動用モータ１４の電力および車載用燃焼器付発電システム１０の初期駆動時の動力は、車載用バッテリ１３から供給される。駆動用モータ１４の運転中は、車載用バッテリ１３からではなく、発電装置１２で変換された電力を用いてもよい。発電装置１２で発生した電力を車載用バッテリ１３等の他、排気ガス浄化システムや設備駆動用電源に供給することもできる。
【００２９】
発電装置１２に送られた熱（燃焼ガスの排熱）は、発電装置１２で電力に変換されるが、余剰の熱は放熱流路２８を通る吸気が加熱作用を受けて温度上昇し、暖気となり、低温側系統２２から暖気として放出される。この暖気はクリーンな空気であるので、車内暖房用空気として直接利用しても、また、暖気は排気と混合させてガス排気路３０から外部に排出するようにしてもよい。
【００３０】
一方、発電装置１２は、燃焼ガスの熱から電気エネルギを回収する発電モジュール２６を１つ以上組み合せて構成される。各発電モジュール２６は、複数の熱電気変換素子３２もしくは熱電子変換素子、またはこれらの変換素子の集合体からなる温度差発電モジュールである。図３は、各発電モジュール２６を直列に配置した例を示す。発電モジュール２６を構成する熱電気変換素子３２あるいは熱電子変換素子は、各素子の両端部に高温側と低温側の温度差が略均一に作用するように配列される。
【００３１】
熱電気変換素子３２には、ゲルマニウム−シリコン、ビスマス−テルル、ビスマス−テルル−セレン、ビスマス−アンチモン、鉄−アンチモン、鉄−シリコン、鉛−テルルもしくはホウ素−炭素を主成分とした熱電気半導体：スクッテルダイトや充填スクッテルダイト結晶構造を持つ熱電気半導体：またはハーフホイスラー型の結晶構造を持つ熱半導体が用いられる。
【００３２】
熱電気変換素子３２あるいは熱電子変換素子は、図４（Ａ）に示すように各変換素子を多数個並列接続して構成しても、図４（Ｂ）に示すように直接接続して発電モジュール２６を構成してもよい。さらに複数の熱電気変換素子３２あるいは熱電気変換素子を並列接続して素子群を構成し、各素子群を直列に接続して発電モジュールを構成してもよい。各発電モジュール２６は、例えば３２対（６４個）の熱電気変換素子を直接接続しても数ｇ〜１０数ｇの重量であり、小型・コンパクトで軽量である一方、この発電モジュール２６を使用すると数ボルト、数アンペア、例えば１．５Ｖ，２Ａの直流電力が得られる。複数の発電モジュール２６を適宜接続することで１０数Ｖ、数Ａの電力を得ることができ、発生した電力は車載用バッテリ１３、駆動用モータ１４等の負荷３３に供給される。
【００３３】
また、車載用燃焼器１１は小型・コンパクトなもので、車両エンジン（図示せず）から独立して、エンジンルームを含む車室内の適宜空きスペースに設置される。車載用燃焼器１１は、軽量・コンパクトな車載用ヒータを兼ねており、使用する燃料は、アイドリング運転に使用する燃料の数％〜２０％程度、例えば１０％程度であり、使用燃料が少ないため、環境に優しい燃焼装置を提供できる。
【００３４】
より一層の環境保全を考慮し、この車載用燃焼器付発電システム１０には排気ガス浄化システム３５が設けられる。この排気ガス浄化システム３５は、図５に示すようにガス排気路３０に設けられる。
【００３５】
排気ガス浄化システム３５は、ガス排気路３０に備えられる放電反応部３６とこの反応部下流側に設けられる触媒反応部３７とを備える。放電反応部３６には、発電装置１２あるいは車載用バッテリ１３から電力供給手段３８を通じて電力が供給される。放電反応部３６には高電圧を印加してコロナ放電やアーク放電等の放電現象を生じさせる。好ましくは放電反応部３６に誘電体を用いてコロナ放電させる。
【００３６】
一方、放電反応部３６の下流側の触媒反応部３７には触媒剤３９が塗布等により備えられる。車載用燃焼器１１内での燃焼に伴う排気ガスは、ＮＯｘ，ダイオキシン類，ＣＯ，ＨＣ，悪臭成分等の有害物質を含んでいる。有害物質を含む排気ガスに、放電反応部３６はパルス状電圧や交流電圧が印加される図示しない放電電極を備え、この放電電極からの放電により、電子のみを効率よく加速し、荷電粒子を間欠的に発生させてプラズマ生成を行なうようになっている。
【００３７】
放電反応部３６に生成されたプラズマの電気エネルギにより、排気ガス中にオゾンやＯＨラジカル（ＯＨ−）等の化学的活性種が効率よく生成される。一方、触媒反応部３７には化学的活性種により活性化される触媒剤３９を備えている。触媒剤３９には、オゾン分解させる触媒剤とＮＯｘの還元作用を行なう触媒剤とを少なくとも備える。具体的には、ＨＣを還元剤とする例えばアルミナ系等のＮＯｘ還元触媒や活性炭、ゼオライト、オゾン分解触媒等を含んでいる。
【００３８】
排気ガス浄化システム３５の排気浄化作用は次のようにして行なわれる。
【００３９】
車載用燃焼器１１の燃焼室２０内での燃焼による排気ガスは、発電装置１２を通過する際に、保有している熱エネルギを発電モジュール２６に伝達して発電に供される。このため、燃焼ガスが保有する熱エネルギは低下した状態で排気ガスとなってガス排気路３０に導かれ、ガス排気路３０から外部に排出される。
【００４０】
排気ガスがガス排気路３０を通過する際には、放電反応部３６において発生するプラズマの作用により、オゾンやＯＨラジカル（ＯＨ´）等の化学的活性種を生成する。この化学的活性種により、放電反応部３６にてＮＯをＮＯ２に酸化処理する一方、ダイオキシン類も酸化分解する。さらに、排気ガスの悪臭成分を無臭な酸化物質（ＣＯ２）に変換する。
【００４１】
また、化学的活性種のうち、例えば長寿命なオゾン（Ｏ３）は、排気ガスとともに触媒反応部３７に移動せしめられる。触媒反応部３７では化学的活性種により触媒が活性化し、この触媒活性化作用により、有害物質の触媒処理反応が促進され、排気ガスが保有する熱エネルギに依存することなく、放電処理反応に重畳して触媒処理反応が実施される。
【００４２】
図６は、排気ガス浄化システム３５による排気ガス浄化の流れを、オゾンの触媒活性による臭気成分処理反応プロセスを例にとって説明したものである。
【００４３】
この排気ガス浄化システム３５によれば、触媒の活性化は排気ガス温度ではなく、放電反応部３６で得られた化学的活性種によるため、排気ガスの熱エネルギを効率よく電気エネルギとして回収しつつ、排気有害成分の排出量を低減させることが実現できる。
【００４４】
次に、車載用燃焼器付発電システム１０による発電と排気ガス中の臭気成分の分解処理効果を実験例に基づいて説明する。
【００４５】
模擬臭気ガスとして空気と硫化水素（Ｈ２Ｓ）の混合ガス（Ｈ２Ｓの濃度２０ｐｐｍ）を４００℃に加熱して発電装置１２に導いた。発電装置１２の発電モジュール２６には、スクッテルダイト、ハーフホイスラー、ゲルマニウム−シリコン、鉛−テルル、ビスマス−テルル−アンチモンを主成分としたＰ型およびＮ型の熱電気変換素子３２を備えた発電モジュール２６が燃焼器ケーシング２５あるいはガス排気路３０に貼り付けあるいは組み付けられており、発電モジュール２６により、排ガス温度と外気温との温度差により電力を得た。
【００４６】
発電後の排気ガスは１５０℃まで熱エネルギを失い、温度降下した状態で放電反応部３６に導かれ、放電処理によって生成されたオゾンによって、触媒反応部３７のオゾン分解触媒剤３９により臭気成分が９５％分解された。一方、発電後に、触媒のみで１５０℃となった排気ガスの臭気成分を浄化した場合、臭気成分の分解率は４２パーセントであった。
【００４７】
この実験結果から、車載用燃焼器付発電システム１０に排気ガス浄化システム３５を取り付ければ、排気ガスの熱エネルギを充分に電気エネルギとして回収しても、図６に示す反応プロセスから予想されるように、放電で生成したオゾンによる触媒活性作用によって、１５０℃という温度的には触媒が充分機能しない低温度においても、臭気成分の分解が可能となることを知見した。
【００４８】
図７は、本発明に係る車載用燃焼器付発電システムの第２実施形態を示すものである。
【００４９】
この実施形態に示された車載用燃焼器付発電システム１０Ａは、車載用ヒータを構成する車載用燃焼器１１Ａを、図２に示された車載用燃焼器１１と異にし、他の構成は、第１実施形態に示された車載用燃焼器１１と異ならないので、同一部分には同じ符号を付して説明を省略する。
【００５０】
図７に示された車載用燃焼器１１Ａは、発電装置１２を燃焼室２０の内周壁に設けたものである。具体的には、発電装置１２を構成する各発電モジュール２６を燃焼器ケーシング２５の内周壁に略全面に亘り付設したものである。
【００５１】
各発電モジュール２６を燃焼器ケーシング２５の内壁に設けた以外の構成および作用は、第１実施形態に示された車載用燃焼器１１と異ならないので説明を省略する。
【００５２】
車載用燃焼器１１Ａでは、燃焼室２０内で燃焼する燃焼ガスの熱エネルギが、各発電モジュール２６の一側に作用し、各発電モジュール２６の他側との間に温度差が生じ、各発電モジュール２６は温度差に応じて電気エネルギに変換され、電力として取り出される。
【００５３】
発電装置１２で電気エネルギに変換され、発生した電力は、車載用バッテリ１３に充電させても、また、駆動用モータ１４や放電反応部３６（図５参照）等の他の負荷や電源に供給することができる。
【００５４】
また、車載用燃焼器１１Ａは車載用ヒータとして機能し、筒状の放熱流路２８を通る際、燃焼室２０からの放射熱により加熱される。加熱された吸気は、暖気となって車室内に供給され、室内暖房用空気として利用される。この車内暖房用空気には、燃焼ガス等の有害成分が混入されておらず、クリーンなエネルギとして車体暖房に供することができ、快適な暖房が保証される。
【００５５】
また、車載用燃焼器１１Ａは、搭載エンジンに較べ燃料使用量が数％〜１０数％と非常に少ないので、ガソリンや軽油等の燃料の燃料費を大幅に削減できる。また、搭載エンジンから独立して駆動させることができるので、エンジンを止めて車載用燃焼器１１Ａを作動させることにより、車内を快適暖房させることができる。
【００５６】
その際、車載用燃焼器１１Ａは、燃料使用量も少なく、燃焼室の容量も小さいので、作動音も殆ど気にならず、快適な車室内に暖房が得られる。
【００５７】
車載用燃焼器１１は、エンジン停止時にも作動させることができ、車載用燃焼器１１に付設された発電装置１２で発生した電力を駆動用モータ１４の駆動用や排気ガス浄化システム３５の放電反応部３６作動用に供給することができ、車載用燃焼器付発電システム１０の運転用に供給できる。したがって、車載用燃焼器付発電システム１０の運転に車載用バッテリ１３の電源を用いる必要がない。
【００５８】
エンジン停止時に、車載用燃焼器付発電システム１０に付随する制御用電源や駆動モータ電源に車載用バッテリ１３を用いる必要がないので、車載用燃焼器付発電システム１０の作動によって、車室内を長時間連続して暖機させることができる。車室内暖房にエンジンを駆動させる必要がなく、アイドリングストップ状態でも快適な車室内暖房ができる。車室内暖房にエンジン駆動を必要としないので、アイドリング状態のエンジンから暖気を得る場合に較べて消費燃料を大幅に削減でき、ＣＯ２の発生を大幅に抑制でき、環境に優しい車載用燃焼器１１を提供できる。
【００５９】
図８は、本発明に係る車載用燃焼器付発電システムの第３実施形態を示す概略図である。
【００６０】
この実施形態に示された車載用燃焼器付発電システム１０Ｂは、低温側系統２２に構成される筒状の放熱流路を給水路とし、この給水路に駆動モータ１４駆動の給水ポンプにより給水（冷水）を供給し、低温側系統２２の給水路を通ることにより加熱され、温度上昇した温水を車内暖房に利用するように構成したものである。
【００６１】
この発電装置１０Ｂでは、駆動用モータ１４の駆動により給水ポンプ４０の他、送風ファン１５および燃料ポンプ１６を回転駆動できるようになっており、送風ファン１５のファン作動により、燃焼用空気を車載用燃焼器１１Ｂの燃焼室２０に供給されるようになっている。この燃焼室２０には、燃料ポンプ１６からガソリンや軽油等の燃料が供給され、供給された燃料は燃焼用空気と混合されて混合燃焼せしめられる。
【００６２】
燃焼室２０での燃焼による熱エネルギは、熱媒体としての燃焼ガスにより発電装置１２の一側に作用し、発電装置１２の他側に作用する給水との間の温度差により、発電装置１２で温度差に応じた電気エネルギに変換され、電力が発生する。発生した電力は車載用バッテリ１３の充電に用いられ、また、駆動モータ１４の駆動や排気ガス浄化装置の作動用電源に用いられる。
【００６３】
この車載用燃焼器付発電システム１０Ｂは、第１実施形態に示された発電設備１０の吸気に代えて給水（冷水）とし、暖気に代えて温水として電力を回収する発電装置１２を設けたものである。この発電設備１０Ｂに用いられる給水（冷水）ならびに温水は、図示しないラジエータの冷却水または室内暖房設備の循環水が用いられる。他の構成は、第１実施形態に示された車載用燃焼器付発電システム１０と異ならないので同じ部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００６４】
図９および図１０は本発明に係る車載用燃焼器付発電システムの第４実施形態を示すものである。
【００６５】
この実施形態に示された車載用燃焼器付発電システム１０Ｃは、車載用ヒータ４４と発電装置１２とを分離し、発電装置１２を車載用ヒータ４４からのガス排気路３０に設けた点を基本的に異にし、他の構成は、第１実施形態に示された車載用燃焼器付発電システム１０と実質的に異ならないので、同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。
【００６６】
車載用ヒータ４４は、図１０に示すように構成される。車載用ヒータ４４は図２に示された車載用燃焼器１１から発電装置１２を取り除いたものである。車載用ヒータ４４の他の構成は、図２に示された車載用燃焼器１１と異ならないので、同じ符号を付して説明を省略する。車載用ヒータ４４は燃焼室２０と燃焼室２０での燃焼により吸気を加熱するようになっている。燃焼器ケーシング２５は、吸気を加熱する熱交換器４５として機能し、燃焼器ケーシング２５からの放熱により筒状の放熱流路２８を通る吸気が加熱されて暖気となり、車室暖房用に供される。
【００６７】
車載用ヒータ４４には発電装置１２が外側から設けられる。発電装置１２は、ガス排気路３０の周りに熱交換器あるいは電熱器４６が設けられる一方、この熱交換器あるいは電熱器４６の外側に発電モジュール２６がそれぞれ設けられ、発電モジュール２６の外周側は放熱流路４７が形成される。
【００６８】
ガス排気路３０を通る排気ガスは熱媒体として機能し、この排気ガスとともに熱交換器あるいは電熱器４６が高温側系統を構成しており、放熱流路４７は低温側系統を構成しており、送風ファン１５のファン作動により配管４８を通して吸気されるようになっている。放熱流路４７で加熱され温度上昇した暖気は、熱交換器４５からの暖気に合流させて室内暖房に供したり、外部に直接排気させてもよい。放熱流路４７は冷却水流路として構成し、配管４８を介してラジエータ（図示せず）に接続し、ラジエータとの間で冷却水を循環させてもよい。
【００６９】
各発電モジュール２６を組み立てて構成される発電装置１２は、ガス排気路３０を通る排気ガスの熱エネルギと放熱流路４７内を循環する吸気あるいは冷却水との温度差を利用して発電され、電力として取り出される。発電装置１２から取り出された電力は、車載用バッテリ１３に供給されて、バッテリ充電を行なったり、駆動用モータ１４や制御用電源等の負荷に供給されるようになっている。
【００７０】
図１１は本発明に係る車載用燃焼器付発電システムの第５実施形態を示すものである。
【００７１】
この実施形態に示された車載用燃焼器付発電システム１０Ｄは、車載用ヒータ５０と発電装置１２とをセパレートするとともに、車載用ヒータ５０は、吸気と燃料の混合物を燃焼させる燃焼室２０と給水（冷水）を加熱する熱交換器５１とを備え、熱交換器５１で熱交換され、加熱された温水は室内暖房等に供される。
【００７２】
また、発電装置１２は、図９に示す発電装置と同様に構成されるので、同じ符号を付して説明を省略する。
【００７３】
この車載用燃焼器付発電システム１０Ｄにおいても、車載用ヒータ５０および発電装置１２は搭載エンジンから独立して駆動される。車載用ヒータ５０で加熱され、温度上昇した温水、あるいは発電装置１２の低温側系統４７から放出される暖気で、車室内の暖房が行なわれるようになっている。
【００７４】
図１２は、本発明に係る車載用燃焼器付発電システムに備えられる発電装置の第１変形例を示すものである。
【００７５】
この変形例に示された発電装置１２Ａは、図３に示された発電装置１２に電圧昇圧手段としての昇圧装置５３を備えたものである。昇圧装置５３は、発電装置１２Ａと負荷３３との間に設けられ、発電装置１２Ａの起電圧と負荷３３との整合をとるように調節するものである。
【００７６】
昇圧装置５３に代えて降圧手段として減圧装置を用いることもでき、さらに、昇圧装置５３と減圧装置の双方を兼ね備えるようにしてもよい。減圧装置も昇圧装置５３と同様、発電装置１２Ａの起電圧と負荷３３との整合をとるようにしたものである。他の構成は、図３に示された発電装置１２と異ならないので、同じ構成には同一符号を付して説明する。
【００７７】
図１３は、発電装置の第２変形例を示すものである。
【００７８】
この変形例に示された発電装置１２Ｂは負荷３３との間に昇圧装置５３あるいは減圧装置を備えるとともに、発電装置１２Ｂの発電電圧を自動的に感知する電圧判定回路５５を備える。この電圧判定回路５５は発電装置１２Ｂから負荷３３への電気回路のＯＮ／ＯＦＦ制御等の電力系統制御を行なう開閉回路として機能する。この電圧判定回路５５の設置部分に他の電力制御回路を備えてもよい。
【００７９】
【発明の効果】
本発明に係る車載用燃焼器付発電システムは、車載燃焼器からの排熱を回収して熱エネルギや電気エネルギを取り出し、エンジン停止時にも電力の供給が可能で、環境に優しく経済性に優れ、また、アイドリングストップ時にも車内環境の快適化が図れ、車内暖房にアイドリング運転を不要とすることができる。
【００８０】
また、この車載用燃焼器付発電システムは、車載用バッテリの負荷を軽減し、バッテリ容量やバッテリ寿命を損なうことなく、アイドリングストップを実現でき、アイドリングストップ時にも車載用ヒータの連続使用が可能で、車載用ヒータの駆動電源を確保でき、燃焼器付発電装置で発生した電力を用いて排気ガスの浄化、環境負荷を低減させることができる。
【００８１】
さらにこの車載用燃焼器付発電システムは、車載用燃焼器をエンジンから独立した独立燃焼方法として排気ガス量を削減し、燃費を大幅に軽減し、作動音も軽減させ、快適な暖房が図れ、環境負荷を軽減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る車載用燃焼器付発電システムの第１実施形態を原理的に示す概略図。
【図２】本発明に係る車載用燃焼器付発電システムの第１実施形態を示す内部構造例の概略図。
【図３】本発明に係る車載用燃焼器付発電システムの発電装置に組み込まれる発電モジュールを例示する配置図。
【図４】（Ａ）および（Ｂ）は上記発電モジュールの構成例をそれぞれ示す配置図。
【図５】本発明に係る車載用燃焼器付発電システムに備えられる排気ガス浄化システムを示す図。
【図６】本発明に係る車載用燃焼器付発電システムにおける排気ガス浄化プロセスを示す図。
【図７】本発明に係る車載用燃焼器付発電システムの第２実施形態を示す内部構造例の概略図。
【図８】本発明に係る車載用燃焼器付発電システムの第３実施形態を原理的に示す概略図。
【図９】本発明に係る車載用燃焼器付発電システムの第４実施形態を原理的に示す概略図。
【図１０】本発明に係る車載用燃焼器付発電システムの第４実施形態を示す内部構造例の概略図。
【図１１】本発明に係る車載用燃焼器付発電システムの第５実施形態を原理的に示す概略図。
【図１２】本発明に係る車載用燃焼器付発電システムに備えられる発電装置の第１変形例を示す図。
【図１３】本発明に係る車載用燃焼器付発電システムに備えられる発電装置の第２変形例を示す図。
【符号の説明】
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ 車載用燃焼器付発電システム
１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ 車載用燃焼器
１２ 発電装置
１３ 車載用バッテリ
１４ 駆動用モータ
１５ 送風ファン
１６ 燃料ポンプ
１７ モータ出力軸
２０ 燃焼室
２１ 高温側系統
２２ 低温側系統
２４ 本体ケーシング
２５ 燃焼器ケーシング
２６ 発電モジュール
２７ 空気供給路
２８ 放熱流路（筒状流路）
２９ 燃料供給路
３０ ガス排気路
３２ 熱電気変換素子
３３ 負荷
３５ 排気ガス浄化システム
３６ 放電反応部
３７ 触媒反応部
３８ 電力供給手段
４０ 給水ポンプ
４４ 車載用ヒータ
【発明の属する技術分野】
本発明は小型・軽量・コンパクトな燃焼器付発電システムに係り、特に、車載用燃焼器から発生する熱エネルギを電気エネルギとして回収し、車載用バッテリの負荷を軽減する車載用燃焼器付発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、人類のエネルギ消費量は歴史的に例を見ない程増加が加速された結果、ＣＯ２などの温暖化ガスによる地球温暖化の問題が浮上している。ＣＯ２発生をできるだけ抑制するために、現在捨てられている未利用の排熱エネルギを、可能な限り電気エネルギとして回収する発電システムの出現が渇望されている。
【０００３】
自動車産業においては、ＣＯ２発生をできるだけ抑制するために、エンジン性能の向上による燃費向上や、車体重量の軽量化による燃費向上が促進されている。さらに、技術性能の改善による燃費向上に加え、運転時のアイドリング規制が世界的に広まり、アイドリングストップ運動が推進されつつある。アイドリング規制は最も開発費が少なく手軽に実施できる環境対策である上、ＣＯ２発生量の削減効果が高いことから、注目されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
車両のアイドリングを停止させると、エンジンの始動回数が増加するため、運転期間中の全エンジン始動に必要なトータルの電力は増大することになる。しかしながらエンジン始動時の電源としてオルタネータ等の車載発電機は使用できないことから、使用電力は車載用バッテリからのみの供給に頼らざるを得ない。このため、アイドリングストップの実効性を向上させるためにはバッテリ容量を増大させなければならないという問題があり、バッテリ容量の増大は車重量が増加し、燃費が低下するという新たな課題が発生する。
【０００５】
また、車載用バッテリ容量を増大させずにアイドリングストップを実現するためには、バッテリを酷使することを許容し、バッテリ寿命を短くして使用しなければならないという問題があった。このため、車のコストが上がるという問題もあった。
【０００６】
また、車載用バッテリのバッテリ容量が不足した場合、エンジン再始動時に、車載用バッテリの電力供給能力が低下し、エンジンの再スタートが不可能になるという問題があった。
【０００７】
一方、アイドリングをストップしたままでは車内の暖気を取ることができないことから、寒冷期の長い高緯度に位置する諸国では、エンジンを停止した状態でも車内暖気が可能な車載用燃焼ヒータが販売されている。車載用燃焼ヒータは、燃料として軽油またはガソリン等の化石燃料を用い、化石燃料の燃焼により、エンジンを停止した状態で車内を暖房するための暖気を得ている。
【０００８】
自動車搭載用の燃焼ヒータが消費する燃料は、アイドリング状態のエンジンから暖気を得る場合に消費する燃料に比べて少なくて済むことから、ＣＯ２の削減を実現している。しかしながら、空気循環用ファンまたは暖房用温水ポンプの駆動電源、およびそれらに付随する制御用電源としては車載用バッテリが用いられており、車載用バッテリのバッテリ容量との関係で長時間の暖気はできないという問題があった。
【０００９】
さらに、自動車搭載用の燃焼ヒータにおいては、燃焼排気ガスを処理せずそのまま車外に排出しているため、環境への負荷が大きいという問題があった。
【００１０】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、車載燃焼器からの排熱を回収して熱エネルギや電気エネルギを取り出し、エンジン停止時にも電力の供給が可能で、環境に優しく経済性に優れた車載用燃焼器付発電システムを提供することを目的とする。
【００１１】
本発明の他の目的は、アイドリングストップ時にも車内環境の快適化が図れ、車内暖房にアイドリング運転を不要とした車載用燃焼器付発電システムを提供することにある。
【００１２】
本発明のさらに他の目的は、車載用バッテリの負荷を軽減し、バッテリ容量やバッテリ寿命を損なうことなく、アイドリングストップを実現し、アイドリングストップ時にも車載用ヒータの連続使用が可能で、車内の電力不足を解消させる車載用燃焼器付発電システムを提供することにある。
【００１３】
また、本発明の別の目的は、アイドリングストップ時にも車載用ヒータの駆動電源を確保でき、燃焼器付発電装置で発生した電力を用いて排気ガスの浄化、環境負荷を低減させ得る車載用燃焼器付発電システムを提供することにある。
【００１４】
本発明のさらに別の目的は、車載用燃焼器をエンジンから独立した独立燃焼方式に設定して排気ガス量を削減し、燃費を大幅に軽減し、環境負荷を軽減させた車載用燃焼器付発電システムを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る車載用燃焼器付発電システムは、上述した課題を解決するために、請求項１に記載したように、エンジンから独立して設置された車載用燃焼器と、この車載用燃焼器に付設あるいは組み込まれ、燃焼による熱エネルギを電気エネルギとして回収する発電装置とを備え、この発電装置で発電した電力を、前記エンジンの停止時にも供給可能に構成したものである。
【００１６】
また、本発明に係る車載用燃焼器付発電システムは、上述した課題を解決するために、請求項２に記載したように、エンジンから独立して設置された車載用燃焼器と、この車載用燃焼器内での燃焼による熱を受熱した熱媒体を導く高温側系統と、この熱媒体により低温側の媒体を熱交換可能に流通させる低温側系統と、前記高温側系統と低温側系統の間に配設され、前記熱媒体の熱エネルギを電気エネルギとして回収する発電装置とを備え、この発電装置で発電した電力を車載用バッテリあるいは設備駆動用電源に供給するように構成されたものである。
【００１７】
また、上述した課題を解決するために、本発明に係る車載用燃焼器付発電システムは、請求項３に記載したように、前記高温側系統の熱媒体は、車載用燃焼器の燃焼室内での燃焼ガスあるいは燃焼室から排出される排気ガスであり、低温側系統の媒体は、外気あるいは車内空気であり、また、請求項４に記載したように、前記高温側系統の熱媒体は、車載用燃焼器の燃焼室内での燃焼ガスあるいは燃焼室から排出される排気ガスであり、低温側系統の媒体は、ラジエータあるいは車内暖房設備から導かれる水であり、さらに、請求項５に記載したように、前記高温側系統の熱媒体は、車載用燃焼器の燃焼後における排気ガスであり、前記低温側系統の媒体は、外気もしくは車内空気であり、さらにまた、請求項６に記載したように、前記高温側系統の熱媒体は、車載用燃焼器の燃焼室内での燃焼ガスあるいは燃焼室から排出される排気ガスであり、前記低温側系統の媒体は、ラジエータあるいは車内暖房設備から導かれる水である。
【００１８】
一方、上述した課題を解決するために、本発明に係る車載用燃焼器付発電システムは、請求項７に記載したように、前記車載用燃焼器からのガス排気路に排気ガス浄化システムが設けられ、上記排気ガス浄化システムは排気ガスに放電処理を行なって化学活性種を生成する放電反応部と、この放電反応部で生成された化学活性種により活性化される触媒剤を有する触媒反応部とを備えたものであり、また、請求項８に記載したように、前記発電装置は、発生した電力を排気ガス浄化システム、車載用バッテリおよび設備駆動用電源の少なくとも１つに供給可能に構成されたものであり、また、請求項９に記載したように、前記発電装置は、熱電気発電素子もしくは熱電子発電素子または各発電素子の集合体で構成されたものである。
【００１９】
また、上述した課題を解決するために、本発明に係る車載用燃焼器付発電システムは、請求項１０に記載したように、前記発電装置には、発生電力を使用時負荷と適合する電圧に調節する昇圧手段もしくは降圧手段が備えられたものであり、請求項１１に記載したように、前記発電装置は、発生電圧を自動的に感知する電圧判定回路を備え、この電圧判定回路は発電装置から負荷への電気回路のＯＮ／ＯＦＦ制御等の電力系統制御を行なうように構成したものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る車載用燃焼器付発電システムの実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は本発明に係る車載用燃焼器付発電システムの第１実施形態を原理的に示す概略図であり、図２は図１に示された車載用燃焼器付発電システムの内部構造例を示す概略図である。
【００２２】
この車載用燃焼器付発電システム１０は、大型車両や商用車両、乗用車両の車室（エンジンルームを含む）内に図示しないエンジンから独立して設置される。この発電設備１０は小型・軽量でコンパクトな車載用燃焼器１１を一体的に備えたヒータ付発電装置１２を備え、車両のエンジン停止時にも必要な電力を発生させ、供給できるようになっている。
【００２３】
車載用燃焼器付発電システム１０は、車載用バッテリ１３等により駆動される駆動用モータ１４を備え、この駆動用モータ１４のモータ駆動により送風ファン１５および燃料ポンプ１６が駆動される。送風ファン１５および燃料ポンプ１６は駆動用モータ１４のモータ出力軸１７にそれぞれ設けられる。送風ファン１５および燃料ポンプ１６は共通の駆動軸を有する。送風ファン１５および燃料ポンプ１６を各駆動モータで個別に駆動させてもよい。
【００２４】
また、発電システム１０に備えられる車載用燃焼器１１は、吸気と燃料を混合燃焼させる燃焼室２０と、燃焼室２０内での燃焼による熱を受熱した熱媒体である燃焼ガスから回収する高温側系統２１と、吸収した熱を媒体である吸気または水に放熱する低温側系統２２と、高温側系統２１と低温側系統２２の間に設置され、燃焼熱による熱エネルギを電気エネルギに変換する発電装置１２とを備える。
【００２５】
車載用燃焼器１１は、具体的には、図２に示すように構成される。車載用燃焼器１１は、筒状の本体ケーシング２４内に、燃焼筒を構成する燃焼器ケーシング２５が略同心状に収納され、燃焼ヒータを構成している。燃焼器ケーシング２５内に燃焼室２０が形成される一方、燃焼器ケーシング２５の外周壁に複数の発電モジュール２６が付設される。各発電モジュール２６は燃焼室２０の外周壁の略全体に亘って設けられ、各発電モジュール２６を組み立てることで発電装置１２を構成している。
【００２６】
車載用燃焼器１１は車載用バッテリ１３等の電源により駆動用モータ１４が駆動され、送風ファン１５および燃料ポンプ１６を回転駆動させる。送風ファン１５の回転駆動により空気供給路２７を通して車外の空気または車内の空気を筒状本体ケーシング２４内に取り込み、燃焼室２０および燃焼器ケーシング２５周りの放熱流路２８に供給される。この放熱流路２８は、本体ケーシング２４と燃焼器ケーシング２５との間に形成される筒状流路であり、燃焼器ケーシング２５からの放射熱を受けて筒状流路に取り込まれた空気を加熱するようになっている。放熱流路２８を通る空気は加熱され、低温側系統２２を構成する低温媒体である暖気となって車内暖房等に供される。
【００２７】
また、車載用燃焼器１１の燃焼室２０には燃料ポンプ１６の回転駆動により、図示しない燃料タンクに貯溜されたガソリン、軽油等の燃料が燃料供給路２９から供給される。この燃料は燃焼室２０内で吸気と混合されて燃焼する。燃焼により発生した燃焼ガスは、排気ガスとなってガス排気路３０を通って外部に排出される。燃焼室２０内での燃焼により発生した熱は、高温側系統２１を構成する熱媒体である燃焼ガスによって回収され、発電装置１２に送られる。
【００２８】
発電装置１２に送られた熱は、各発電モジュール２６で電力に変換され、変換された電力は、車載用バッテリ１３に蓄えられる一方、駆動用モータ１４の電力および車載用燃焼器付発電システム１０の初期駆動時の動力は、車載用バッテリ１３から供給される。駆動用モータ１４の運転中は、車載用バッテリ１３からではなく、発電装置１２で変換された電力を用いてもよい。発電装置１２で発生した電力を車載用バッテリ１３等の他、排気ガス浄化システムや設備駆動用電源に供給することもできる。
【００２９】
発電装置１２に送られた熱（燃焼ガスの排熱）は、発電装置１２で電力に変換されるが、余剰の熱は放熱流路２８を通る吸気が加熱作用を受けて温度上昇し、暖気となり、低温側系統２２から暖気として放出される。この暖気はクリーンな空気であるので、車内暖房用空気として直接利用しても、また、暖気は排気と混合させてガス排気路３０から外部に排出するようにしてもよい。
【００３０】
一方、発電装置１２は、燃焼ガスの熱から電気エネルギを回収する発電モジュール２６を１つ以上組み合せて構成される。各発電モジュール２６は、複数の熱電気変換素子３２もしくは熱電子変換素子、またはこれらの変換素子の集合体からなる温度差発電モジュールである。図３は、各発電モジュール２６を直列に配置した例を示す。発電モジュール２６を構成する熱電気変換素子３２あるいは熱電子変換素子は、各素子の両端部に高温側と低温側の温度差が略均一に作用するように配列される。
【００３１】
熱電気変換素子３２には、ゲルマニウム−シリコン、ビスマス−テルル、ビスマス−テルル−セレン、ビスマス−アンチモン、鉄−アンチモン、鉄−シリコン、鉛−テルルもしくはホウ素−炭素を主成分とした熱電気半導体：スクッテルダイトや充填スクッテルダイト結晶構造を持つ熱電気半導体：またはハーフホイスラー型の結晶構造を持つ熱半導体が用いられる。
【００３２】
熱電気変換素子３２あるいは熱電子変換素子は、図４（Ａ）に示すように各変換素子を多数個並列接続して構成しても、図４（Ｂ）に示すように直接接続して発電モジュール２６を構成してもよい。さらに複数の熱電気変換素子３２あるいは熱電気変換素子を並列接続して素子群を構成し、各素子群を直列に接続して発電モジュールを構成してもよい。各発電モジュール２６は、例えば３２対（６４個）の熱電気変換素子を直接接続しても数ｇ〜１０数ｇの重量であり、小型・コンパクトで軽量である一方、この発電モジュール２６を使用すると数ボルト、数アンペア、例えば１．５Ｖ，２Ａの直流電力が得られる。複数の発電モジュール２６を適宜接続することで１０数Ｖ、数Ａの電力を得ることができ、発生した電力は車載用バッテリ１３、駆動用モータ１４等の負荷３３に供給される。
【００３３】
また、車載用燃焼器１１は小型・コンパクトなもので、車両エンジン（図示せず）から独立して、エンジンルームを含む車室内の適宜空きスペースに設置される。車載用燃焼器１１は、軽量・コンパクトな車載用ヒータを兼ねており、使用する燃料は、アイドリング運転に使用する燃料の数％〜２０％程度、例えば１０％程度であり、使用燃料が少ないため、環境に優しい燃焼装置を提供できる。
【００３４】
より一層の環境保全を考慮し、この車載用燃焼器付発電システム１０には排気ガス浄化システム３５が設けられる。この排気ガス浄化システム３５は、図５に示すようにガス排気路３０に設けられる。
【００３５】
排気ガス浄化システム３５は、ガス排気路３０に備えられる放電反応部３６とこの反応部下流側に設けられる触媒反応部３７とを備える。放電反応部３６には、発電装置１２あるいは車載用バッテリ１３から電力供給手段３８を通じて電力が供給される。放電反応部３６には高電圧を印加してコロナ放電やアーク放電等の放電現象を生じさせる。好ましくは放電反応部３６に誘電体を用いてコロナ放電させる。
【００３６】
一方、放電反応部３６の下流側の触媒反応部３７には触媒剤３９が塗布等により備えられる。車載用燃焼器１１内での燃焼に伴う排気ガスは、ＮＯｘ，ダイオキシン類，ＣＯ，ＨＣ，悪臭成分等の有害物質を含んでいる。有害物質を含む排気ガスに、放電反応部３６はパルス状電圧や交流電圧が印加される図示しない放電電極を備え、この放電電極からの放電により、電子のみを効率よく加速し、荷電粒子を間欠的に発生させてプラズマ生成を行なうようになっている。
【００３７】
放電反応部３６に生成されたプラズマの電気エネルギにより、排気ガス中にオゾンやＯＨラジカル（ＯＨ−）等の化学的活性種が効率よく生成される。一方、触媒反応部３７には化学的活性種により活性化される触媒剤３９を備えている。触媒剤３９には、オゾン分解させる触媒剤とＮＯｘの還元作用を行なう触媒剤とを少なくとも備える。具体的には、ＨＣを還元剤とする例えばアルミナ系等のＮＯｘ還元触媒や活性炭、ゼオライト、オゾン分解触媒等を含んでいる。
【００３８】
排気ガス浄化システム３５の排気浄化作用は次のようにして行なわれる。
【００３９】
車載用燃焼器１１の燃焼室２０内での燃焼による排気ガスは、発電装置１２を通過する際に、保有している熱エネルギを発電モジュール２６に伝達して発電に供される。このため、燃焼ガスが保有する熱エネルギは低下した状態で排気ガスとなってガス排気路３０に導かれ、ガス排気路３０から外部に排出される。
【００４０】
排気ガスがガス排気路３０を通過する際には、放電反応部３６において発生するプラズマの作用により、オゾンやＯＨラジカル（ＯＨ´）等の化学的活性種を生成する。この化学的活性種により、放電反応部３６にてＮＯをＮＯ２に酸化処理する一方、ダイオキシン類も酸化分解する。さらに、排気ガスの悪臭成分を無臭な酸化物質（ＣＯ２）に変換する。
【００４１】
また、化学的活性種のうち、例えば長寿命なオゾン（Ｏ３）は、排気ガスとともに触媒反応部３７に移動せしめられる。触媒反応部３７では化学的活性種により触媒が活性化し、この触媒活性化作用により、有害物質の触媒処理反応が促進され、排気ガスが保有する熱エネルギに依存することなく、放電処理反応に重畳して触媒処理反応が実施される。
【００４２】
図６は、排気ガス浄化システム３５による排気ガス浄化の流れを、オゾンの触媒活性による臭気成分処理反応プロセスを例にとって説明したものである。
【００４３】
この排気ガス浄化システム３５によれば、触媒の活性化は排気ガス温度ではなく、放電反応部３６で得られた化学的活性種によるため、排気ガスの熱エネルギを効率よく電気エネルギとして回収しつつ、排気有害成分の排出量を低減させることが実現できる。
【００４４】
次に、車載用燃焼器付発電システム１０による発電と排気ガス中の臭気成分の分解処理効果を実験例に基づいて説明する。
【００４５】
模擬臭気ガスとして空気と硫化水素（Ｈ２Ｓ）の混合ガス（Ｈ２Ｓの濃度２０ｐｐｍ）を４００℃に加熱して発電装置１２に導いた。発電装置１２の発電モジュール２６には、スクッテルダイト、ハーフホイスラー、ゲルマニウム−シリコン、鉛−テルル、ビスマス−テルル−アンチモンを主成分としたＰ型およびＮ型の熱電気変換素子３２を備えた発電モジュール２６が燃焼器ケーシング２５あるいはガス排気路３０に貼り付けあるいは組み付けられており、発電モジュール２６により、排ガス温度と外気温との温度差により電力を得た。
【００４６】
発電後の排気ガスは１５０℃まで熱エネルギを失い、温度降下した状態で放電反応部３６に導かれ、放電処理によって生成されたオゾンによって、触媒反応部３７のオゾン分解触媒剤３９により臭気成分が９５％分解された。一方、発電後に、触媒のみで１５０℃となった排気ガスの臭気成分を浄化した場合、臭気成分の分解率は４２パーセントであった。
【００４７】
この実験結果から、車載用燃焼器付発電システム１０に排気ガス浄化システム３５を取り付ければ、排気ガスの熱エネルギを充分に電気エネルギとして回収しても、図６に示す反応プロセスから予想されるように、放電で生成したオゾンによる触媒活性作用によって、１５０℃という温度的には触媒が充分機能しない低温度においても、臭気成分の分解が可能となることを知見した。
【００４８】
図７は、本発明に係る車載用燃焼器付発電システムの第２実施形態を示すものである。
【００４９】
この実施形態に示された車載用燃焼器付発電システム１０Ａは、車載用ヒータを構成する車載用燃焼器１１Ａを、図２に示された車載用燃焼器１１と異にし、他の構成は、第１実施形態に示された車載用燃焼器１１と異ならないので、同一部分には同じ符号を付して説明を省略する。
【００５０】
図７に示された車載用燃焼器１１Ａは、発電装置１２を燃焼室２０の内周壁に設けたものである。具体的には、発電装置１２を構成する各発電モジュール２６を燃焼器ケーシング２５の内周壁に略全面に亘り付設したものである。
【００５１】
各発電モジュール２６を燃焼器ケーシング２５の内壁に設けた以外の構成および作用は、第１実施形態に示された車載用燃焼器１１と異ならないので説明を省略する。
【００５２】
車載用燃焼器１１Ａでは、燃焼室２０内で燃焼する燃焼ガスの熱エネルギが、各発電モジュール２６の一側に作用し、各発電モジュール２６の他側との間に温度差が生じ、各発電モジュール２６は温度差に応じて電気エネルギに変換され、電力として取り出される。
【００５３】
発電装置１２で電気エネルギに変換され、発生した電力は、車載用バッテリ１３に充電させても、また、駆動用モータ１４や放電反応部３６（図５参照）等の他の負荷や電源に供給することができる。
【００５４】
また、車載用燃焼器１１Ａは車載用ヒータとして機能し、筒状の放熱流路２８を通る際、燃焼室２０からの放射熱により加熱される。加熱された吸気は、暖気となって車室内に供給され、室内暖房用空気として利用される。この車内暖房用空気には、燃焼ガス等の有害成分が混入されておらず、クリーンなエネルギとして車体暖房に供することができ、快適な暖房が保証される。
【００５５】
また、車載用燃焼器１１Ａは、搭載エンジンに較べ燃料使用量が数％〜１０数％と非常に少ないので、ガソリンや軽油等の燃料の燃料費を大幅に削減できる。また、搭載エンジンから独立して駆動させることができるので、エンジンを止めて車載用燃焼器１１Ａを作動させることにより、車内を快適暖房させることができる。
【００５６】
その際、車載用燃焼器１１Ａは、燃料使用量も少なく、燃焼室の容量も小さいので、作動音も殆ど気にならず、快適な車室内に暖房が得られる。
【００５７】
車載用燃焼器１１は、エンジン停止時にも作動させることができ、車載用燃焼器１１に付設された発電装置１２で発生した電力を駆動用モータ１４の駆動用や排気ガス浄化システム３５の放電反応部３６作動用に供給することができ、車載用燃焼器付発電システム１０の運転用に供給できる。したがって、車載用燃焼器付発電システム１０の運転に車載用バッテリ１３の電源を用いる必要がない。
【００５８】
エンジン停止時に、車載用燃焼器付発電システム１０に付随する制御用電源や駆動モータ電源に車載用バッテリ１３を用いる必要がないので、車載用燃焼器付発電システム１０の作動によって、車室内を長時間連続して暖機させることができる。車室内暖房にエンジンを駆動させる必要がなく、アイドリングストップ状態でも快適な車室内暖房ができる。車室内暖房にエンジン駆動を必要としないので、アイドリング状態のエンジンから暖気を得る場合に較べて消費燃料を大幅に削減でき、ＣＯ２の発生を大幅に抑制でき、環境に優しい車載用燃焼器１１を提供できる。
【００５９】
図８は、本発明に係る車載用燃焼器付発電システムの第３実施形態を示す概略図である。
【００６０】
この実施形態に示された車載用燃焼器付発電システム１０Ｂは、低温側系統２２に構成される筒状の放熱流路を給水路とし、この給水路に駆動モータ１４駆動の給水ポンプにより給水（冷水）を供給し、低温側系統２２の給水路を通ることにより加熱され、温度上昇した温水を車内暖房に利用するように構成したものである。
【００６１】
この発電装置１０Ｂでは、駆動用モータ１４の駆動により給水ポンプ４０の他、送風ファン１５および燃料ポンプ１６を回転駆動できるようになっており、送風ファン１５のファン作動により、燃焼用空気を車載用燃焼器１１Ｂの燃焼室２０に供給されるようになっている。この燃焼室２０には、燃料ポンプ１６からガソリンや軽油等の燃料が供給され、供給された燃料は燃焼用空気と混合されて混合燃焼せしめられる。
【００６２】
燃焼室２０での燃焼による熱エネルギは、熱媒体としての燃焼ガスにより発電装置１２の一側に作用し、発電装置１２の他側に作用する給水との間の温度差により、発電装置１２で温度差に応じた電気エネルギに変換され、電力が発生する。発生した電力は車載用バッテリ１３の充電に用いられ、また、駆動モータ１４の駆動や排気ガス浄化装置の作動用電源に用いられる。
【００６３】
この車載用燃焼器付発電システム１０Ｂは、第１実施形態に示された発電設備１０の吸気に代えて給水（冷水）とし、暖気に代えて温水として電力を回収する発電装置１２を設けたものである。この発電設備１０Ｂに用いられる給水（冷水）ならびに温水は、図示しないラジエータの冷却水または室内暖房設備の循環水が用いられる。他の構成は、第１実施形態に示された車載用燃焼器付発電システム１０と異ならないので同じ部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００６４】
図９および図１０は本発明に係る車載用燃焼器付発電システムの第４実施形態を示すものである。
【００６５】
この実施形態に示された車載用燃焼器付発電システム１０Ｃは、車載用ヒータ４４と発電装置１２とを分離し、発電装置１２を車載用ヒータ４４からのガス排気路３０に設けた点を基本的に異にし、他の構成は、第１実施形態に示された車載用燃焼器付発電システム１０と実質的に異ならないので、同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。
【００６６】
車載用ヒータ４４は、図１０に示すように構成される。車載用ヒータ４４は図２に示された車載用燃焼器１１から発電装置１２を取り除いたものである。車載用ヒータ４４の他の構成は、図２に示された車載用燃焼器１１と異ならないので、同じ符号を付して説明を省略する。車載用ヒータ４４は燃焼室２０と燃焼室２０での燃焼により吸気を加熱するようになっている。燃焼器ケーシング２５は、吸気を加熱する熱交換器４５として機能し、燃焼器ケーシング２５からの放熱により筒状の放熱流路２８を通る吸気が加熱されて暖気となり、車室暖房用に供される。
【００６７】
車載用ヒータ４４には発電装置１２が外側から設けられる。発電装置１２は、ガス排気路３０の周りに熱交換器あるいは電熱器４６が設けられる一方、この熱交換器あるいは電熱器４６の外側に発電モジュール２６がそれぞれ設けられ、発電モジュール２６の外周側は放熱流路４７が形成される。
【００６８】
ガス排気路３０を通る排気ガスは熱媒体として機能し、この排気ガスとともに熱交換器あるいは電熱器４６が高温側系統を構成しており、放熱流路４７は低温側系統を構成しており、送風ファン１５のファン作動により配管４８を通して吸気されるようになっている。放熱流路４７で加熱され温度上昇した暖気は、熱交換器４５からの暖気に合流させて室内暖房に供したり、外部に直接排気させてもよい。放熱流路４７は冷却水流路として構成し、配管４８を介してラジエータ（図示せず）に接続し、ラジエータとの間で冷却水を循環させてもよい。
【００６９】
各発電モジュール２６を組み立てて構成される発電装置１２は、ガス排気路３０を通る排気ガスの熱エネルギと放熱流路４７内を循環する吸気あるいは冷却水との温度差を利用して発電され、電力として取り出される。発電装置１２から取り出された電力は、車載用バッテリ１３に供給されて、バッテリ充電を行なったり、駆動用モータ１４や制御用電源等の負荷に供給されるようになっている。
【００７０】
図１１は本発明に係る車載用燃焼器付発電システムの第５実施形態を示すものである。
【００７１】
この実施形態に示された車載用燃焼器付発電システム１０Ｄは、車載用ヒータ５０と発電装置１２とをセパレートするとともに、車載用ヒータ５０は、吸気と燃料の混合物を燃焼させる燃焼室２０と給水（冷水）を加熱する熱交換器５１とを備え、熱交換器５１で熱交換され、加熱された温水は室内暖房等に供される。
【００７２】
また、発電装置１２は、図９に示す発電装置と同様に構成されるので、同じ符号を付して説明を省略する。
【００７３】
この車載用燃焼器付発電システム１０Ｄにおいても、車載用ヒータ５０および発電装置１２は搭載エンジンから独立して駆動される。車載用ヒータ５０で加熱され、温度上昇した温水、あるいは発電装置１２の低温側系統４７から放出される暖気で、車室内の暖房が行なわれるようになっている。
【００７４】
図１２は、本発明に係る車載用燃焼器付発電システムに備えられる発電装置の第１変形例を示すものである。
【００７５】
この変形例に示された発電装置１２Ａは、図３に示された発電装置１２に電圧昇圧手段としての昇圧装置５３を備えたものである。昇圧装置５３は、発電装置１２Ａと負荷３３との間に設けられ、発電装置１２Ａの起電圧と負荷３３との整合をとるように調節するものである。
【００７６】
昇圧装置５３に代えて降圧手段として減圧装置を用いることもでき、さらに、昇圧装置５３と減圧装置の双方を兼ね備えるようにしてもよい。減圧装置も昇圧装置５３と同様、発電装置１２Ａの起電圧と負荷３３との整合をとるようにしたものである。他の構成は、図３に示された発電装置１２と異ならないので、同じ構成には同一符号を付して説明する。
【００７７】
図１３は、発電装置の第２変形例を示すものである。
【００７８】
この変形例に示された発電装置１２Ｂは負荷３３との間に昇圧装置５３あるいは減圧装置を備えるとともに、発電装置１２Ｂの発電電圧を自動的に感知する電圧判定回路５５を備える。この電圧判定回路５５は発電装置１２Ｂから負荷３３への電気回路のＯＮ／ＯＦＦ制御等の電力系統制御を行なう開閉回路として機能する。この電圧判定回路５５の設置部分に他の電力制御回路を備えてもよい。
【００７９】
【発明の効果】
本発明に係る車載用燃焼器付発電システムは、車載燃焼器からの排熱を回収して熱エネルギや電気エネルギを取り出し、エンジン停止時にも電力の供給が可能で、環境に優しく経済性に優れ、また、アイドリングストップ時にも車内環境の快適化が図れ、車内暖房にアイドリング運転を不要とすることができる。
【００８０】
また、この車載用燃焼器付発電システムは、車載用バッテリの負荷を軽減し、バッテリ容量やバッテリ寿命を損なうことなく、アイドリングストップを実現でき、アイドリングストップ時にも車載用ヒータの連続使用が可能で、車載用ヒータの駆動電源を確保でき、燃焼器付発電装置で発生した電力を用いて排気ガスの浄化、環境負荷を低減させることができる。
【００８１】
さらにこの車載用燃焼器付発電システムは、車載用燃焼器をエンジンから独立した独立燃焼方法として排気ガス量を削減し、燃費を大幅に軽減し、作動音も軽減させ、快適な暖房が図れ、環境負荷を軽減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る車載用燃焼器付発電システムの第１実施形態を原理的に示す概略図。
【図２】本発明に係る車載用燃焼器付発電システムの第１実施形態を示す内部構造例の概略図。
【図３】本発明に係る車載用燃焼器付発電システムの発電装置に組み込まれる発電モジュールを例示する配置図。
【図４】（Ａ）および（Ｂ）は上記発電モジュールの構成例をそれぞれ示す配置図。
【図５】本発明に係る車載用燃焼器付発電システムに備えられる排気ガス浄化システムを示す図。
【図６】本発明に係る車載用燃焼器付発電システムにおける排気ガス浄化プロセスを示す図。
【図７】本発明に係る車載用燃焼器付発電システムの第２実施形態を示す内部構造例の概略図。
【図８】本発明に係る車載用燃焼器付発電システムの第３実施形態を原理的に示す概略図。
【図９】本発明に係る車載用燃焼器付発電システムの第４実施形態を原理的に示す概略図。
【図１０】本発明に係る車載用燃焼器付発電システムの第４実施形態を示す内部構造例の概略図。
【図１１】本発明に係る車載用燃焼器付発電システムの第５実施形態を原理的に示す概略図。
【図１２】本発明に係る車載用燃焼器付発電システムに備えられる発電装置の第１変形例を示す図。
【図１３】本発明に係る車載用燃焼器付発電システムに備えられる発電装置の第２変形例を示す図。
【符号の説明】
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ 車載用燃焼器付発電システム
１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ 車載用燃焼器
１２ 発電装置
１３ 車載用バッテリ
１４ 駆動用モータ
１５ 送風ファン
１６ 燃料ポンプ
１７ モータ出力軸
２０ 燃焼室
２１ 高温側系統
２２ 低温側系統
２４ 本体ケーシング
２５ 燃焼器ケーシング
２６ 発電モジュール
２７ 空気供給路
２８ 放熱流路（筒状流路）
２９ 燃料供給路
３０ ガス排気路
３２ 熱電気変換素子
３３ 負荷
３５ 排気ガス浄化システム
３６ 放電反応部
３７ 触媒反応部
３８ 電力供給手段
４０ 給水ポンプ
４４ 車載用ヒータ
Claims (11)
- エンジンから独立して設置された車載用燃焼器と、この車載用燃焼器に付設あるいは組み込まれ、燃焼による熱エネルギを電気エネルギとして回収する発電装置とを備え、この発電装置で発電した電力を、前記エンジンの停止時にも供給可能に構成したことを特徴とする車載用燃焼器付発電システム。
- エンジンから独立して設置された車載用燃焼器と、この車載用燃焼器内での燃焼による熱を受熱した熱媒体を導く高温側系統と、
この熱媒体により低温側の媒体を熱交換可能に流通させる低温側系統と、
前記高温側系統と低温側系統の間に配設され、前記熱媒体の熱エネルギを電気エネルギとして回収する発電装置とを備え、この発電装置で発電した電力を車載用バッテリあるいは設備駆動用電源に供給するように構成されたことを特徴とする車載用燃焼器付発電システム。 - 前記高温側系統の熱媒体は、車載用燃焼器の燃焼室内での燃焼ガスあるいは燃焼室から排出される排気ガスであり、低温側系統の媒体は、外気あるいは車内空気である請求項２記載の車載用燃焼器付発電システム。
- 前記高温側系統の熱媒体は、車載用燃焼器の燃焼室内での燃焼ガスあるいは燃焼室から排出される排気ガスであり、低温側系統の媒体は、ラジエータあるいは車内暖房設備から導かれる水である請求項２記載の車載用燃焼器付発電システム。
- 前記高温側系統の熱媒体は、車載用燃焼器の燃焼後における排気ガスであり、前記低温側系統の媒体は、外気もしくは車内空気である請求項２記載の車載用燃焼器付発電システム。
- 前記高温側系統の熱媒体は、車載用燃焼器の燃焼室内での燃焼ガスあるいは燃焼室から排出される排気ガスであり、前記低温側系統の媒体は、ラジエータあるいは車内暖房設備から導かれる水である請求項２記載の車載用燃焼器付発電システム。
- 前記車載用燃焼器からのガス排気路に排気ガス浄化システムが設けられ、上記排気ガス浄化システムは排気ガスに放電処理を行なって化学活性種を生成する放電反応部と、この放電反応部で生成された化学活性種により活性化される触媒剤を有する触媒反応部とを備えた請求項１または２記載の車載用燃焼器付発電システム。
- 前記発電装置は、発生した電力を排気ガス浄化システム、車載用バッテリおよび設備駆動用電源の少なくとも１つに供給可能に構成された請求項７記載の車載用燃焼器付発電システム。
- 前記発電装置は、熱電気発電素子もしくは熱電子発電素子または各発電素子の集合体で構成された請求項１または２記載の車載用燃焼器付発電システム。
- 前記発電装置には、発生電力を使用時負荷と適合する電圧に調節する昇圧手段もしくは降圧手段が備えられた請求項１または２記載の車載用燃焼器付発電システム。
- 前記発電装置は、発生電圧を自動的に感知する電圧判定回路を備え、この電圧判定回路は発電装置から負荷への電気回路のＯＮ／ＯＦＦ制御等の電力系統制御を行なうように構成した請求項１または２記載の車載用燃焼器付発電システム。
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