JP2016211508A - 排気ガスモニタリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
コンパクトな構成でその設置自由度が高く、しかも後付け設置が可能な排気ガスモニタリング装置を提供する。
【解決手段】
排気ガスの成分測定を行う測定センサと、熱エネルギーを受けて発電を行う発電素子と、該発電素子において発電された電力を蓄電する蓄電池とを備え、蓄電池からの電力で駆動されるようにした排気ガスモニタリング装置であって、発電素子が内燃機関の排気管の近傍に取り付けられることを特徴とする、排気ガスモニタリング装置に関する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関から排出される排気ガスの状態を監視する排気ガスモニタリング装置に関するものである。

自動車用等の内燃機関から排出される排気ガスは、これが大気中に放出されることで大気汚染、環境汚染を引き起こし、人間の安全かつ健康な生活を脅かす恐れがあることは予てから指摘されている。このような状況から、この排気ガスの状態、例えば、排気ガス中の窒素酸化物や微小粒子などの各種有害物質の成分分布とか濃度等をモニタリングし、その結果に基づいて排気ガスの状態が適正状態となるように内燃機関の運転を制御することが必要であり、早期に解決すべき喫緊の課題として提起されている。

このような課題に関連する技術として、特許文献１には、自動車の内燃機関から延びる排気管の管壁を貫通してＮＯｘセンサを取り付け、その先端側に位置するガスセンサ素子部分に排気管内を流れる排気ガスを導入することで、排気ガス中の窒素酸化物の濃度を測定するようにした内燃機関用ガスセンサが示されている。

また、特許文献２には、熱電素子を備える熱電モジュールを自動車の排気管の管路途中に介設し、該排気管内を流れる排気ガスの排熱を利用して熱電素子に発電を行わせ、この発電された電力を蓄電池において蓄電することで、排熱のエネルギーを回収する排熱回収装置が示されている。この排熱回収装置では、熱電モジュールの下流側に位置する触媒装置に配置した温度センサによって排気ガス温度を測定し、該温度が所定温度以上である場合には、排気ガスの排熱で熱電素子を加熱して発電させて、その電力を蓄電池に蓄電させる一方、排気ガスが所定温度以下である場合には、蓄電池に蓄電された電力を触媒装置に供給し、これを加熱して該触媒装置の活性化を図るように制御される。

しかし、これらの特許文献では、熱電素子により発電された電力を利用して、排気ガスの成分測定を行うような排気ガスモニタリング装置は開示されておらず、排気ガスモニタリング装置を駆動するためには、車載のバッテリーから給電するための給電用配線の設置が必要であった。

特開２０１３−８８１１９号公報 特開２００６−３４０４６号公報

本発明は、排気ガスの熱エネルギーを、熱で発電する発電素子によって有効活用することで、電力の省エネルギー化を実現することができる排気ガスモニタリング装置を提供することを目的とする。また、発電素子によって発電された電力で、排気ガスモニタリング装置が駆動されるため、例えば、車載のバッテリーから給電する場合のような給電用配線の設置が不要な、排気ガスモニタリング装置を提供することを目的とする。

本発明は、排気ガスの成分測定を行う測定センサと、熱エネルギーを受けて発電を行う発電素子と、該発電素子において発電された電力を蓄電する蓄電池とを備え、蓄電池からの電力で駆動されるようにした排気ガスモニタリング装置であって、発電素子が内燃機関の排気管の近傍に取り付けられることを特徴とする、排気ガスモニタリング装置に関する。

本発明では、測定センサが排気管の端部開口部から排気通路に臨ませて取り付けられることが好ましい。

本発明では、測定センサによる測定値を受けて排気ガスの成分情報を作成する制御器と、制御器にて作成された成分情報を受信端末機に無線送信する無線通信機とを備え、測定センサによる排気ガスの成分測定動作と、制御器における排気ガスの成分情報の算出動作、及び無線通信機による成分情報の送信動作は、連続的に、または所定時間毎に実行されることが好ましい。

本発明では、発電素子が、正極と負極との間に、ｐ型半導体およびｎ型半導体を有することが好ましい。

本発明の排気ガスモニタリング装置によれば、排気ガスの熱エネルギーを、熱で発電する発電素子によって、電力に変換することができるとともに、発電した電力を排気ガスモニタリング装置において有効活用することで、電力の省エネルギー化を実現することができる。また、発電素子によって発電された電力で、排気ガスモニタリング装置が駆動されるため、例えば、車載のバッテリーから給電する場合のような給電用配線の設置が不要であり、排気ガスモニタリング装置の設置コストの低減が実現できる。

本発明の実施形態に係る排気ガスモニタリング装置のシステム構成図である。 排気ガスモニタリング装置に適用される発電素子の構成説明図である。 発電素子の他の構成説明図である。

図１には、本発明の実施形態に係る排気ガスモニタリング装置Ｚを示している。この排気ガスモニタリング装置Ｚは、自動車用内燃機関のみならず、産業用内燃機関、例えば、発電機用内燃機関等にも広く適用できるものであるが、ここでは自動車用内燃機関に適用した場合を例にとって説明する。

排気ガスモニタリング装置Ｚは、内燃機関（図示省略）から排気管２１を通って排出される排気ガスの状態、例えば、排気ガス中の窒素酸化物や微小粒子などの各種有害物質の成分分布とか濃度等を監視するものであり、この監視結果に基づいて排気ガスの状態が適正状態となるように内燃機関の運転制御が行われる。

排気ガスモニタリング装置Ｚは、例えば、発電素子６と測定センサ７と蓄電池８と制御器９とメモリー１０と無線通信機１１を備えて構成することができる。

発電素子６は、熱エネルギーを受けて発電を行うことができる熱電発電素子であって、固定バンド３１によって排気管２１の近傍に取り付けられる。排気管２１の近傍とは、排気管の内部だけでなく、外部も含む概念であり、熱電発電素子が排気ガスの排熱を受熱することが可能な距離をいう。熱電発電素子は、排気管２１に接触していてもよく、直接的に接触をしていなくてもよい。例えば、図１に示すように、排気管２１の管端近傍の表面に接触させた状態で取り付けられる。熱電発電素子は、排気通路２２内を流れる排気ガスの排熱を受けて発電を行い、ここで得られた電力を蓄電池８に蓄電させるようになっている。

測定センサ７は、排気ガス中のＮＯｘ等を検知するガスセンサ素子を備えたプローブを内蔵し、該ガスセンサ素子に排気ガスを接触させることで排気ガス中のＮＯｘ等を検知し、この検知情報を後述の制御器９へ出力するようになっている。そして、この測定センサ７は、排気管２１の管端開口２１ａから排気通路２２の内部に臨んだ状態で、例えば、排気管２１の管壁に固定される固定クリップ３２によって該排気管２１の管端部に取り付けられる。

制御器９は、測定センサ７からの検知情報を受けて、排気ガス中の窒素酸化物や微小粒子などの各種有害物質の成分分布とか濃度等を算出し、これを排気ガスの成分情報として後述のメモリー１０へ出力するようになっている。

メモリー１０は、制御器９から入力された排気ガスの成分情報を記憶保持し、必要に応じてこの成分情報を無線通信機１１に出力する。

無線通信機１１は、メモリー１０に記憶された排気ガスの成分情報を受けて、これを無線通信によって自車に装備された自車端末機１３、あるいは他の者が保有する他者端末機１４に送信する。

したがって、自車端末機１３あるいは他者端末機１４においては、現時点の排気ガスの状態を即座に確認することができる。また、排気ガスモニタリング装置Ｚを備えた自動車がトラックやバスのような業務用自動車である場合には、成分情報を管理会社の他者端末機１４（例えば、ホストコンピュータ）に送信するように構成しておけば、複数の自動車の排気ガス状態を一括して集中的に管理することができ、極めて便宜である。

なお、測定センサ７による排気ガス中のＮＯｘ等の検知動作と、制御器９における算出動作、及び無線通信機１１における排気ガスの成分情報の送信動作は、必要に応じて、内燃機関の稼働中連続的に、又は所定時間毎に間欠的に（例えば、数分〜数時間に１回程度）、実行するように構成できる。即ち、排気ガスのモニタリング形態を、連続的なモニタリング形態あるいは間欠的なモニタリング形態に任意に設定できる。検知動作と送信動作を連続的に実行することで、排気ガスの成分の変化状態を継続的にモニタリングすることができる。また、検知動作と送信動作を所定時間毎に実行すれば、これらの動作を連続的に実行する場合に比べて、各動作に要する消費電力を抑えることができ、発電素子の発電負荷が軽減できる。

ところで、測定センサ７と制御器９とメモリー１０及び無線通信機１１はその駆動電源を必要とする。このため、この実施形態では、発電素子６において発電され、蓄電池８に蓄電された電力を各機器に供給するようにしている。即ち、排気ガスモニタリング装置Ｚでは、車載のバッテリーからの電力供給を受けることなく、排気ガスモニタリング装置Ｚ内の発電素子６からの内部供給によって駆動電力を賄う構成であることから、該排気ガスモニタリング装置Ｚの設置に際しては、例えば車載バッテリーから配線を引く必要がなく、設置作業の容易化、設置コストの低減が可能となる。なお、蓄電池８に蓄電された電力を各機器に供給する際には、ＤＣ／ＤＣコンバータ（図示しない）を用いて電圧を変換してから各機器に電力を供給することもできる。

また、このように排気ガスモニタリング装置Ｚの駆動電源を発電素子６の発電に依存した場合、該発電素子６の発電能力が問題となり、場合によっては発電量不足という事態も想定されるが、このような場合、上述のように排気ガス状態の間欠的なモニタリング形態を採用することで、モニタリングに伴う消費電力を抑えて発電量不足を解消することができる。

一方、この実施形態の排気ガスモニタリング装置Ｚにおいては、各構成機器のうち、発電素子６と測定センサ７を排気管２１側に取り付け、これら以外の機器は装置本体１２内に集約的に配置している。また、装置本体１２の設置位置については内燃機関側からの制約はなく自由に設置位置を決めることができる。

また、排気管２１に取り付けられるのは発電素子６と測定センサ７の二つのみであって、しかも発電素子６は、排気管２１の近傍であって、排気管２１の外側又は内側に、排気管２１に接触状態又は非接触状態で取り付ければ足りる。また、測定センサ７は、排気管２１の端部開口部から排気通路２２に臨ませて取り付けるものとすることで、排気管２１の管壁を貫通して取り付ける場合のような排気管２１に対する加工が不要である。これらのことから、排気ガスモニタリング装置Ｚはこれを既存の内燃機関の排気管２１に後付けによって取り付けることができる。

本発明に用いる発電素子６は、正極１と負極５との間に、ｐ型半導体と、ｎ型半導体とを有するものであれば、特に限定されず、正極１と負極５との間に、さらに、強誘電体を有するものであってもよく、強誘電体を有さないものであってもよい。

発電素子６は、例えば、図２に示すように、正極１と、ｐ型半導体層２と、強誘電体層３と、ｎ型半導体層４と、負極５とがその順で配置された構造形態を有している。また、図３に示すように、ｐ型半導体層２と、強誘電体層３と、ｎ型半導体層４とは、接触界面を増やすために混合したヘテロジャンクション構造をとっていてもよい。こうした発電素子６は、従来の発電素子とは異なる新しい発電素子であり、高い電流を発生する発電現象を起こす。特に恒温槽中で常温（例えば２５℃）から昇温することにより実現できる。

正極１及び負極５は、導電性材料であり、正極１の仕事関数が負極５の仕事関数と同じか高い材料を用いる。正極１の仕事関数が負極５の仕事関数より高い方が望ましい。正極１としては、銅、銅合金、ＳＵＳ４３０等のステンレス鋼、錫めっき銅、銀、白金、金等を一例として挙げることができるが、これらの材料は、仕事関数を考慮して決定することができ、列記した正極材料に限定されない。負極５は、正極１とは異なる材料であればよく、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金、Ｍｇ−Ａｌ等のマグネシウム合金等の金属材料や、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等の導電性酸化物材料等を挙げることができるが、これらの材料は、仕事関数を考慮して決定することができ、列記した負極材料に限定されない。

正極１及び負極５の形状も特に限定されず、発電素子６の形状に応じた形状に加工することができる。例えば、発電素子６が、平面配置型用の発電素子６である場合には、正極１と負極５とを、ｐ型半導体層２、強誘電体層３及びｎ型半導体層４を挟んで対向配置して構成できる。なお、この平面配置型の発電素子６は、正極１と負極５とを順次直列接続して直列配置型の発電素子複合体にしたり、正極１と負極５とを順次並列接続して並列配置型の発電素子複合体にしたりすることができる。また、発電素子６を、乾電池型用の発電素子としてもよく、その場合は、中心を負極棒とし、周りを正極管として構成できる。

ｐ型半導体層２は、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）−ポリ（スチレンスルホン酸）、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）−ポリ（ビニルスルホン酸）、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリ（ｐ−フェニレン）、ポリフルオレン、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）、ポリチエニレンビニレン、グラフェン、ＣｕＡｌＯ_２、ＣｕＧａＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２から選ばれるｐ型半導性高分子であることが好ましい。なお、ホール伝導が観測されれば、列記したｐ型半導体材料に限定されない。

ｐ型半導体層２の厚さは、発電素子６の作製方法によって異なり、特に限定されないが、例えば１０μｍ以上、１０００μｍ以下の範囲内であることが好ましい。なお、発電素子６中でのｐ型半導体層２の境界は、そのｐ型半導体特性を奏する限り、図２に示すようにはっきり区分けされていてもよいし、図３に示すように、ｐ型半導体層２が強誘電体層３とｎ型半導体層４ともに、接触界面を増やすために混合したヘテロジャンクション構造をとっていてもよい。したがって、上記の厚さ範囲も、ｐ型半導体層２の作用を奏する範囲での厚さとして表すことができる。

強誘電体層３は、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、ジルコン酸鉛、チタン酸ビスマスランタン、チタン酸カドミウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ビスマスフェライト、及びリチウムドープ酸化亜鉛から選ばれるいずれかの粒子を含むことが好ましい。なお、強誘電性が観測されれば、列記した強誘電性材料に限定されない。強誘電体層３は、材料の１種を単独で用いてもよいし、２種以上を用いてもよい。この強誘電体層３は、強誘電性を有する層であり、強誘電性を有するので発電をし、また、その強誘電体層３がさらにｎ型半導性を有する場合には電子（キャリア）の移動も容易であり、発電素子の構成要素として極めて望ましい。

強誘電体粒子の形状や粒径は特に限定されないが、全体的な形状が球形状又は略球形状、楕円形状又は略楕円形状であればよく、その表面がなめらかでも凹凸であってもよい。強誘電体粒子の平均粒径は、入手の容易さや素子作製上の問題がない範囲で各種の大きさのものを選択することができるが、平均粒径の大きいものほど誘電率も高いので好ましく用いることができる。また、強誘電体粒子の平均粒径を所望の値に設定することにより、表面積をコントロールできるという利点がある。強誘電体粒子の平均粒径は、原料の段階では走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって測定することができ、強誘電体層３を構成した後も走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって測定することができる。

強誘電体層３は、強誘電体粒子で構成されているが、本発明の効果を阻害しない範囲で、強誘電性を有する他の無機物を含んでいてもよい。また、本発明の効果を阻害しない範囲で、導電性やｎ型半導性を有する他の無機物を含んでいてもよい。

ｎ型半導体層４は、酸化スズ、アンチモンドープ酸化スズ、フッ素ドープ酸化スズ、ガリウムドープ酸化亜鉛、アルミドープ酸化亜鉛、ニオブドープチタン酸ストロンチウム、及び酸化カルシウムドープ酸化ジルコニウムから選ばれるいずれかの粒子を含むことが好ましい。なお、電子伝導が観測されれば、列記したｎ型半導体材料に限定されない。この粒子は、ｎ型半導体粒子であり、１種を単独で用いてもよいし、２種以上を用いてもよい。

ｎ型半導体粒子の粒子形状や粒径は特に限定されないが、全体的な形状が球形状又は略球形状、楕円形状又は略楕円形状であればよく、その表面がなめらかでも凹凸であってもよい。ｎ型半導体粒子の平均粒径は、入手の容易さや素子作製上の問題がない範囲で各種の大きさのものを選択することができるが、平均粒径の大きいものほど導電率が高いので好ましく用いることができる。また、ｎ型半導体粒子の平均粒径を所望の値に設定することにより、表面積をコントロールできるという利点がある。ｎ型半導体粒子の平均粒径は、原料の段階では走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって測定することができ、ｎ型半導体層４を構成した後も走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって測定することができる。

ｎ型半導体層４は、ｎ型半導体粒子で構成されているが、本発明の効果を阻害しない範囲で、ｎ型になり得る他の無機物を含んでいてもよい。

ｎ型半導体層４の抵抗は特に限定されないが、例えば２Ω以上、７Ω以下程度の範囲内が好ましい。ｎ型半導体層４をこうした範囲の抵抗にすることによって、内部インピーダンスを下げて電流を取り出しやすくするという利点がある。ｎ型半導体層４の抵抗は、ＬＣＲハイテスタによって測定することができる。ｎ型半導体層４の抵抗が２ｋΩ未満の場合、より具体的には例えば１ｋΩ未満や１００ｋΩ未満の場合は、そのｎ型半導体層４上に設けられる導電性のｐ型半導体層２がｎ型半導体層４中に浸入してショート状態になってしまい、発電素子として作動しないことがある。

発電素子６は、上記構成を備えるものであれば、各種の方法で作製することができる。図２に示す発電素子６は、正極１と、ｐ型半導体層２と、強誘電体層３と、ｎ型半導体層４と、負極５とがその順で配置された構造形態であり、図３に示す発電素子６は、正極１と負極５とが、ｐ型半導体層２と強誘電体層３とｎ型半導体層４とが混合したヘテロジャンクション構造である。

この発電素子６の作製は特に限定されないが、正極１上に、ｎ型半導体層４、強誘電体層３、ｐ型半導体層２を順に形成する。ｐ型半導体層２は、ｐ型半導性高分子を例えば滴下又は塗布して形成することができる。強誘電体層３とｎ型半導体層４は、それぞれの粒子を例えば加圧成形して形成することができる。

こうして作製された発電素子部材は、平面的な直列構造又は並列構造になるように接続することができる。発電素子部材を直列接続して発電素子複合体を構成する場合、隣り合う発電素子部材の正極１と負極５とを、カシメ、圧接、ロウ付け等で接続して直列構造にすることができる。また、発電素子部材を並列接続して発電素子複合体を構成する場合、長く延びる電極に、発電素子部材の正極１と負極５をそれぞれ、カシメ、圧接、ロウ付け等で接続して並列構造にすることができる。

このような発電素子複合体は、複数の発電素子部材を接続して１次元的（直列配置）又は二次元的（並列配置）に作製することができるが、厚さ方向に積層して三次元的な立体構造にすることもできる。

なお、乾電池型用の発電素子としてもよく、その場合、底のある正極管の中に、ｎ型半導体粒子や強誘電体粒子の投入と、ｐ型半導性高分子材料の滴下又は塗布とを繰り返し、それらを層状に形成することができる。なお、負極棒は、ｎ型半導体層４と強誘電体層３とｐ型半導体層２との層状構造の形成前又は形成後に、正極管の中央に、その正極管に接触しないようにして挿入すればよい。

本発明に用いる発電素子では、例えば、正極１は、厚さ０．２ｍｍ、縦１０ｍｍ、横１０ｍｍの平板状の銅部材とし、負極５は、厚さ０．２ｍｍ、縦１０ｍｍ、横１０ｍｍの平板状のアルミニウム部材とすることができる。負極５の上に、ニオブ酸リチウム粒子からなる厚さ２ｍｍのｎ型半導体層４を形成し、この強誘電性を有するｎ型半導体層４の上から、液状のｐ型半導性高分子であるポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）−ポリ（スチレンスルホナート））を滴下し、ｎ型半導体層４上にｐ型半導体層２を設け、その上から負極５を載せて発電素子６を作製することができる。以上のようにして、電極間抵抗が２５ｋΩとなる発電素子６を得ることができる。

発電素子６を恒温糟に入れ、負荷抵抗１０Ωを接続し、恒温層中の温度を変化させながら、発電素子６の性能を評価すると、表１および表２に示すような結果を得ることができる。

本発明に用いる発電素子としては、高い電流を発生する発電現象を起こすことができ、特に恒温槽中で常温（例えば２５℃）から昇温した場合であっても発電することが可能な発電素子を用いることができる。

発電素子は、ｐ型半導体と強誘電体とｎ型半導体とを混合した粉末を、銅などの正極板とアルミニウムなどの負極板とでラミネートして封止したバルク型の態様として、排気管の近傍に設置することができる。また、ｐ型半導体と強誘電体とｎ型半導体とを混合してペースト状にしたものを、銅などの正極板とアルミニウムなどの負極板とでラミネートして封止したフィルム型の態様として、排気管の近傍に設置することもできる。

上記のようなバルク型またはフィルム型の発電素子は、数ｃｍ角のものを直列または並列に連結しても用いてもよいし、数ｍ角のものを直列または並列に連結して用いてもよい。また、本発明に用いる発電素子は、任意の形状に成形できるため、発電素子を設置する基材の表面は、平坦である必要はなく、曲面状であってもよいし、凹凸を有するものであってもよい。

１ 正極
２ ｐ型半導体層
３ 強誘電体層
４ ｎ型半導体層
５ 負極
６ 発電素子
７ 測定センサ
８ 蓄電池
９ 制御器
１０ メモリー
１１ 無線通信機
１２ 装置本体
１３ 自車端末機
１４ 他者端末機
２１ 排気管
２２ 排気通路
３１ 固定バンド
３２ 固定クリップ

Claims (4)

1. 排気ガスの成分測定を行う測定センサと、熱エネルギーを受けて発電を行う発電素子と、該発電素子において発電された電力を蓄電する蓄電池とを備え、蓄電池からの電力で駆動されるようにした排気ガスモニタリング装置であって、発電素子が内燃機関の排気管の近傍に取り付けられることを特徴とする、排気ガスモニタリング装置。
2. 測定センサが排気管の端部開口部から排気通路に臨ませて取り付けられることを特徴とする、請求項１に記載の排気ガスモニタリング装置。
3. 測定センサによる測定値を受けて排気ガスの成分情報を作成する制御器と、
   制御器にて作成された成分情報を受信端末機に無線送信する無線通信機とを備え
   測定センサによる排気ガスの成分測定動作と、制御器における排気ガスの成分情報の算出動作、及び無線通信機による成分情報の送信動作が、連続的に、または所定時間毎に実行される構成であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の排気ガスモニタリング装置。
4. 発電素子が、正極と負極との間に、ｐ型半導体およびｎ型半導体を有する、請求項１〜３のいずれかに記載の排気ガスモニタリング装置。

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