JP2013096275A - 車載発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】デバイスの損傷および発電効率の低下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、排気管１７、蒸発ガス通路２４およびパージ弁２５を備える内燃機関２と、排気管１７内に設けら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６と、温度センサ６により検知される排気ガスの温度が所定温度以上のときにのみ、パージ弁２５の開動作を許容する第２制御ユニット８とを備える。
【選択図】図１

Description

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。

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。

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。

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。）。

一方、自動車エンジンなどの内燃機関では、燃料タンクに貯留される燃料がタンク内で蒸発する場合があり、このような燃料の蒸発ガスが大気中に排出されると、環境汚染が惹起される。

そのため、環境汚染を防止するため、蒸発ガスの大気中への排出を抑制することが要求されており、そのような方法として、例えば、燃料蒸発ガスをチャコールキャニスタなどによって吸着保持し、その回収されたガスを吸気管に供給し、燃料として使用することが知られている。

そのような装置として、具体的には、例えば、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、燃料タンク内の燃料蒸発ガスを吸気通路内へと導入する蒸発ガス通路と、内燃機関の運転状態に応じて蒸発ガス通路の通路面積を可変に制御する可変制御手段とを備える燃料蒸発ガス排出抑制装置が、提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

この燃料蒸発ガス排出抑制装置では、所定量の空気が吸気管に供給されるとともに、燃料タンクに貯留される燃料が燃料噴射弁によって吸気管に噴射され、また、燃料タンクから蒸発した燃料蒸発ガスが、蒸発ガス通路を介して吸気管に供給される。これにより、空気と、燃料タンクから供給される燃料および蒸発ガスとして供給される燃料とが混合され、得られた混合気が、内燃機関に供給されている。

また、この燃料蒸発ガス排出抑制装置では、排気管に備えられる空燃比センサなどの運転状態検出手段により、内燃機関の運転状態が検出されており、検出された運転状態に応じて、可変制御手段により蒸発ガス通路の通路面積が制御され、燃料蒸発ガスの供給量が調節され、混合気の空燃比が調節されている。

特開平１１−３３２２６６号公報 特開昭６２−２０６６９号公報

一方、特許文献１に記載されるような発電方法としては、発電装置を車両に搭載することも検討できる。具体的には、特許文献２に記載されるような燃料蒸発ガス排出抑制装置が搭載された自動車などの車両において、内燃機関から排気ガスが排出される排気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できる。

このような場合には、上記したように内燃機関に空気および燃料が供給され、燃料が燃焼されることにより排気ガスが生じ、その排気ガスにより、排気管内において焦電素子が加熱および冷却される。

しかるに、発電装置を車載した場合、車両状態によっては、混合気の空燃比がリッチ状態となる場合があり、このリッチ状態の混合気が内燃機関に供給されると、未燃焼または不完全燃焼状態の燃料が、排気ガスとともに排気管に排出される場合がある。

焦電素子を排気管内に配置した場合に、排気管内に未燃焼または不完全燃焼状態の燃料が排出されると、その燃料が焦電素子に付着し、素子の汚染などを惹起する場合があり、その結果、焦電素子に損傷を生じる場合や、その発電効率が低下する場合がある。

この点、上記した燃料蒸発ガス排出抑制装置において、空燃比センサにより内燃機関の運転状態を検出し、蒸発ガス通路の通路面積をフィードバック制御することによって、混合気の空燃比を理論空燃比（ストイキ状態）とすることも検討される。

このように、混合比の空燃比をリッチ状態としなければ、燃料の排気管への排出が抑制されるため、焦電素子に燃料が付着することを抑制できる。

しかしながら、このようなフィードバック制御では、まず、混合気の空燃比がリッチ状態であることが判断され、その判断に基づいて、燃料および蒸発ガスの供給量が制御されるため、混合気の空燃比が必ずリッチ状態になるという不具合がある。とりわけ、このようなフィードバック制御では、例えば、燃料パージ直後や、燃料パージ量の増加中における空燃比の調節に対応することができず、やはり、未燃焼または不完全燃焼状態の燃料が、排気ガスとともに排気管に排出され、その燃料が焦電素子に付着することにより、素子の汚染などを惹起する場合がある。

本発明の目的は、デバイスの損傷および発電効率の低下を抑制できる車載発電システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の車載発電システムは、エンジン、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、前記エンジンに接続され、前記エンジンから排気ガスを排出させるための排気管、燃料を貯留するための燃料タンク、前記吸気管に設けられ、前記燃料タンクから前記エンジンに燃料を噴射するための燃料噴射手段、前記燃料タンクおよび前記吸気管に接続され、前記燃料タンクから蒸発する蒸発ガスを、前記吸気管に供給する蒸発ガス通路、および、前記蒸発ガス通路に設けられ、前記蒸発ガス通路を開閉するパージ弁を備える内燃機関と、前記排気管内に設けられ、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ための温度検知手段と、前記温度検知手段により検知される前記排気ガスの温度が所定温度以上のときにのみ、前記パージ弁の開動作を許容する制御手段とを備えることを特徴としている。

本発明の車載発電システムによれば、制御手段によって、温度検知手段により検知される排気ガスの温度が所定温度以上のときにのみ、パージ弁の開動作が許容されている。

つまり、このような車載発電システムによれば、温度検知手段により検知される排気ガスの温度が所定温度以上のときにのみ、パージ弁が開動作され、蒸発ガスが吸気管に供給されるので、それにより、混合気の空燃比がリッチ状態となる場合には、常に、排気ガスの温度が所定温度以上となっている。

そのため、リッチ状態の混合気が供給され、未燃焼または不完全燃焼状態の燃料が排気ガスとともに排気管に排出されることにより、燃料が第１デバイスに付着する場合には、その付着燃料を排気ガスの熱によって蒸発および／または燃焼させることができ、第１デバイスの汚染を抑制することができる。

その結果、このような車載発電システムによれば、第１デバイスの損傷および発電効率の低下を抑制することができる。

本発明の車載発電システムの一実施形態の概略構成図である。

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の概略構成図である。

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。

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、空燃比を検知するための空燃比検知手段としての空燃比センサ５と、排気ガスの温度を検知するための温度検知手段としての温度センサ６と、空燃比センサ５により検知された空燃比に基づいてエンジン制御ユニット２８（後述）を制御する第１制御ユニット７と、温度センサ６により検知される排気ガスの温度が所定温度以上のときにのみ、パージ弁２５（後述）の開動作を許容する制御手段としての第２制御ユニット８とを備えている。

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、燃料を貯留するための燃料タンク２１、吸気管１６に設けられ、燃料タンク２１からエンジン１１に燃料を供給するための燃料噴射手段としての燃料噴射装置２０、燃料タンク２１から蒸発する蒸発ガスを吸気管１６に供給する蒸発ガス通路２４、および、蒸発ガス通路を開閉するパージ弁２５を備えている。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

また、吸気管１６は、スロットルバルブ２７を備えている。スロットルバルブ２７は、例えば、アクセルペダルを踏み込みなどの運転操作に伴い、その開閉および開度が調節可能とされており、その開閉によって、エンジン１１に空気を取り込み可能としている。

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。

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および第１デバイス３（後述）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。

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。

燃料噴射装置２０は、燃料供給管２２および燃料噴射弁２３を備えている。

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、燃料噴射弁２３に接続されている。

燃料噴射弁２３は、エンジン１１に対する燃料タンク２１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。

燃料噴射弁２３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。

このような燃料噴射弁２３は、エンジン１１のエンジン制御ユニット２８に電気的に接続されており、エンジン制御ユニット２８によって、その開閉が制御されている。

エンジン制御ユニット２８は、エンジン１１の運転状態（例えば、図示しない回転計により検知されるエンジン１１の回転数、例えば、図示しない圧力センサにより検知されるスロットルバルブ２７下流側の吸気管１６内の圧力など）に基づいて燃料供給量を制御するユニットであって、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータから構成されている。

そして、このエンジン制御ユニット２８に燃料噴射弁２３が電気的に接続されることにより、エンジン制御ユニット２８からの制御信号が、燃料噴射弁２３に入力可能とされている。これにより、エンジン制御ユニット２８が、エンジン１１の運転状態に応じて、燃料噴射弁２３の開閉および開度、すなわち、燃料噴射弁２３による燃料の噴射量（エンジン１１に対する燃料の供給量）を制御可能としている。

蒸発ガス通路２４は、燃料タンク２１から蒸発する蒸発ガスを吸気管１６に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の上部に接続されるとともに、下流側端部が、吸気管１６の燃料噴射弁２３よりも上流側に接続されている。

蒸発ガス通路２４には、蒸発ガス吸着装置２６が介在されている。

蒸発ガス吸着装置２６は、燃料タンク２１から蒸発した蒸発ガスを吸着保持するための装置であって、例えば、公知のチャコールキャニスタなどが挙げられる。

蒸発ガス吸着装置２６は、燃料タンク２１から蒸発した蒸発ガスを吸着保持可能としており、また、エンジン１１の駆動時にその吸着された蒸発ガスを、必要に応じて蒸発ガス通路２４に放出可能としている。

パージ弁２５は、蒸発ガス通路２４を開閉するとともに、その開度を調節するための弁であって、蒸発ガス通路２４の蒸発ガス吸着装置２６よりも下流側に設けられている。パージ弁２５は、第１制御ユニット７（後述）に電気的に接続されており、第１制御ユニット７によって、その開閉および開度が制御されている。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、ＢａＴｉＯ_３、ＣａＴｉＯ_３、（ＣａＢｉ）ＴｉＯ_３、ＢａＮｄ_２Ｔｉ_５Ｏ_１４、ＢａＳｍ_２Ｔｉ_４Ｏ_１２、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）など）、公知のピエゾ素子（例えば、水晶（ＳｉＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ロッシェル塩（酒石酸カリウム−ナトリウム）（ＫＮａＣ_４Ｈ_４Ｏ_６）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、リチウムテトラボレート（Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７）、ランガサイト（Ｌａ_３Ｇａ_５ＳｉＯ_１４）、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

このような第１デバイス３は、排気管１７内において、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。

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。

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。

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。

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９に、電気的に接続されている。

空燃比センサ５は、エンジン１１における混合気の空燃比を検知するセンサであって、排気管１７内において、排気ガスと接触可能に設けられている。

空燃比センサ５としては、例えば、排気ガス中の酸素濃度を検出することにより、混合気がリッチ状態またはリーン状態にあることを検知するＯ_２センサや、例えば、排気ガス中の酸素イオン濃度から混合気の空燃比を検知するリニアＡ／Ｆセンサなど、公知の空燃比センサが挙げられる。

温度センサ６は、排気ガスの温度を検知するセンサであって、排気管１７内における空燃比センサ５の下流側において、排気ガスと接触可能に設けられている。温度センサ６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センサが挙げられる。

また、温度センサ６としては、図示しないが、排気ガス温度予測装置を用いることができる。排気ガス温度予測装置では、例えば、エンジン１１の負荷および回転数や、例えば、図示しない排気再循環（ＥＧＲ）システムによる排気再循環量、例えば、エンジン１１における点火のタイミングや、外気温などから、エンジン１１における混合気の燃焼温度を予測することができ、その燃料温度から、排気ガスの温度を予測することができる。

第１制御ユニット７は、空燃比センサ５により検知された空燃比に基づいて、エンジン制御ユニット２８を制御し、燃料噴射弁２３の開閉を制御させるための装置であって、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータから構成されている。

第１制御ユニット７は、図１において破線で示すように、空燃比センサ５およびエンジン制御ユニット２８に電気的に接続されており、空燃比センサ５により検知された空燃比を電気信号として入力可能とするとともに、その検知に応じて、燃料噴射弁２３の開閉および開度を、エンジン制御ユニット２８に調節させることを可能としている。

第２制御ユニット８は、温度センサ６により検知される排気ガスの温度に基づいて、パージ弁２５の開動作を許容する、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータから構成されている。

第２制御ユニット８は、図１において破線で示すように、温度センサ６およびパージ弁２５に電気的に接続されており、温度センサ６により検知された排気ガス温度を電気信号として入力可能とするとともに、温度センサ６により検知される排気ガスの温度が所定温度以上のときのみ、パージ弁２５の開動作を許容している。
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。

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。

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２３によって供給（噴射）される。

また、このエンジン１１では、燃料タンク２１において蒸発され、蒸発ガス吸着装置２６において吸着された蒸発ガスが、必要により、蒸発ガス吸着装置２６から放出され、蒸発ガス通路２４を介して、吸気管１６に供給される。

これにより、空気と、燃料供給管２２を介して供給される燃料（および、必要により蒸発ガス通路２４を介して供給される燃料）とが、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）。

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）。

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）。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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９に蓄電する。バッテリー９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。

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、公知の触媒などによって浄化され、外気に排出される。
３．制御方法
（１）第１制御ユニット
上記した車載発電システム１が搭載される自動車１０では、蒸発ガス吸着装置２６に所定量以上の蒸発ガスが吸着保持されているときに、パージ弁２５が開動作され、蒸発ガス通路２４を介して燃料（蒸発ガス）が供給される。また、蒸発ガス吸着装置２６に吸着保持される蒸発ガスの量が所定量未満であるときには、パージ弁２５が閉動作され、蒸発ガスの供給が停止される。

一方、この自動車１０では、燃料噴射弁２３から燃料が供給されており、その供給量が、エンジン制御ユニット２８によって、自動車１０の上記した運転状態（例えば、エンジン１１の回転数、吸気管１６内の圧力など）に基づいて制御される。

また、このようなエンジン制御ユニット２８は、空燃比センサ５による検知に基づいて、第１制御ユニット７により制御される。

第１制御ユニット７による制御では、具体的には、まず、空燃比センサ５により、エンジン１１に供給される混合気の空燃比が検知され、その混合気の状態が、第１制御ユニット７に電気信号として入力される。

そして、第１制御ユニット７において、空燃比センサ５により検知された空燃比に基づいてリッチ状態と判断されるときに、第１制御ユニット７によりエンジン制御ユニット２８が制御され、燃料の供給量が減少される。一方、空燃比がリーン状態と判断されるときには、第１制御ユニット７によりエンジン制御ユニット２８が制御され、燃料の供給量が増加される。

このように、蒸発ガスおよび燃料の総量が自動車１０の運転状態に応じた所定量となるように、燃料の供給量が調節され、混合気の空燃比が、ストイキ状態に調節されている。
（２）第２制御ユニット
上記した車載発電システム１が搭載される自動車１０では、上記したように空燃比をストイキ状態にフィードバック制御できるが、この制御では、まず、混合気の空燃比がリッチ状態であることが判断され、その判断に基づいて、燃料の供給量が制御されるため、混合気の空燃比が必ずリッチ状態になるという不具合がある。

とりわけ、このようなフィードバック制御では、例えば、パージ弁２５が閉状態から開動作された直後や、燃料の供給量が調節されている最中などには、フィードバック制御が追いつかず、混合気の状態がリッチ状態となる場合がある。

また、このリッチ状態の混合気がエンジン１１に供給されると、未燃焼または不完全燃焼状態の燃料が、排気ガスとともに排気管１７に排出される場合がある。

そして、上記した車載発電システム１では、第１デバイス３が排気管１７内に配置されるため、排気管１７内に未燃焼または不完全燃焼状態の燃料が排出されると、その燃料が第１デバイス３に付着し、第１デバイス３の汚染（例えば、目詰まりなど）を惹起する場合があり、その結果、第１デバイス３に損傷を生じる場合や、その発電効率が低下する場合がある。

そこで、この車載発電システム１では、第２制御ユニット８により、パージ弁２５を制御し、第１デバイス３の汚染を抑制する。

具体的には、この制御では、まず、温度センサ６により、エンジン１１から排出される排気ガスの温度が検知され、その排気ガスの温度が、第２制御ユニット８に電気信号として入力される。

そして、第２制御ユニット８において、排気ガスの温度が所定温度以上（例えば、７００℃以上）と判断されるときにのみ、第２制御ユニット８が、パージ弁２５の開動作を許容する。

つまり、この車載発電システム１では、第２制御ユニット８において排気ガスの温度が上記所定温度以上と判断されるときにのみ、パージ弁２５が開動作され、蒸発ガスが吸気管１６へ供給される。なお、蒸発ガス吸着装置２６に吸着保持される蒸発ガスが所定量未満である場合には、パージ弁２５は閉動作され、蒸発ガスの供給は停止される。

このとき、第１制御ユニット７およびエンジン制御ユニット２８によって、燃料噴射弁２３の開度が制御され、蒸発ガスおよび燃料の総量が自動車１０の運転状態に応じた所定量となるように、燃料の供給量が調節される。

一方、第２制御ユニット８において排気ガスの温度が上記所定温度未満と判断されるときには、パージ弁２５が閉動作され、蒸発ガスの供給が停止された状態において、第１制御ユニット７およびエンジン制御ユニット２８によって、燃料噴射弁２３の開度が制御され、蒸発ガスおよび燃料の総量が自動車１０の運転状態に応じた所定量となるように、燃料の供給量が調節される。

なお、パージ弁２５が閉動作される場合には、燃料は、燃料噴射弁２３のみから供給され、その供給量は、第１制御ユニット７およびエンジン制御ユニット２８によって、応答性よく調節される。
４．作用・効果
上記したように、この車載発電システム１では、第２制御ユニット８によって、温度センサにより検知される排気ガスの温度が所定温度以上のときにのみ、パージ弁２５の開動作が許容されている。

つまり、このような車載発電システム１によれば、温度センサ６により検知される排気ガスの温度が所定温度以上のときにのみ、パージ弁２５が開動作され、蒸発ガスが吸気管に供給されるので、それにより、混合気の空燃比がリッチ状態となる場合には、常に、排気ガスの温度が所定温度以上となっている。

そのため、リッチ状態の混合気が供給され、未燃焼または不完全燃焼状態の燃料が排気ガスとともに排気管１７に排出されることにより、燃料が第１デバイス３に付着する場合には、その付着燃料を排気ガスの熱によって蒸発および／または燃焼させることができ、第１デバイス３の汚染を抑制することができる。

その結果、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の損傷および発電効率の低下を抑制することができる。

なお、上記した説明では、第１制御ユニット７、第２制御ユニット８およびエンジン制御ユニット２８は、それぞれ別体として設けられているが、例えば、第１制御ユニット７、第２制御ユニット８およびエンジン制御ユニット２８の２つ以上が、一体的に設けられていてもよい。

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 空燃比センサ
６ 温度センサ
７ 第１制御ユニット
８ 第２制御ユニット
１１ エンジン
１６ 吸気管
１７ 排気管
２０ 燃料噴射装置
２１ 燃料タンク
２４ 蒸発ガス通路
２５ パージ弁

Claims (1)

1. エンジン、
   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、
   前記エンジンに接続され、前記エンジンから排気ガスを排出させるための排気管、
   燃料を貯留するための燃料タンク、
   前記吸気管に設けられ、前記燃料タンクから前記エンジンに燃料を噴射するための燃料噴射手段、
   前記燃料タンクおよび前記吸気管に接続され、前記燃料タンクから蒸発する蒸発ガスを、前記吸気管に供給する蒸発ガス通路、および、
   前記蒸発ガス通路に設けられ、前記蒸発ガス通路を開閉するパージ弁を備える内燃機関と、
   前記排気管内に設けられ、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ための温度検知手段と、
   前記温度検知手段により検知される前記排気ガスの温度が所定温度以上のときにのみ、前記パージ弁の開動作を許容する制御手段と
   を備えることを特徴とする、車載発電システム。
   

Images