JP6035180B2 - 車載発電システム - Google Patents

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いる。そのようなシステムとして、具体的には、例えば、温度が経時的に上下する熱源と、その熱源の温度変化に応じて、ピエゾ効果、焦電効果、ゼーベック効果などにより電気分極する第１デバイス（誘電体など）と、第１デバイスから電力を取り出すため、第１デバイスを挟むように対向配置される第２デバイス（電極など）とを備える発電システムが提案されている。また、その発電システムを自動車などに積載すること、さらには、そのような場合に第１デバイス（誘電体など）を自動車の排ガスが供給される排気管内に配置することが、提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１１−２５０６７５号公報

一方、自動車の車両状態によっては、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、その燃料が排気管内において爆発し、火炎を生じる場合がある（アフターファイア）。

そのため、上記の発電システムを車載し、第１デバイス（誘電体など）を排気管内に配置した場合に、第１デバイスの近傍において火炎が生じると、その急激な温度上昇によって、第１デバイスの分子配向が乱れるなどして、第１デバイスに損傷を生じ、発電効率の低下を惹起する場合や、発電不能となる場合がある。

本発明の目的は、第１デバイスの損傷を抑制することができ、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、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、前記第１デバイスに電圧を印加する電圧印加手段と、前記第１デバイスの近傍における火炎の有無を検知する火炎検知手段と、前記火炎検知手段の検知に基づいて、前記第１デバイスの近傍に火炎が検知されるときに、前記電圧印加手段を作動させるための制御手段とを備えることを特徴としている。

このような車載発電システムでは、火炎検知手段の検知に基づいて、第１デバイスの近傍に火炎が検知されるときに制御手段が電圧印加手段を作動させる。そのため、本発明の車載発電システムでは、第１デバイスの近傍に火炎が生じて、第１デバイスの温度が上昇する場合にも、電圧印加手段を作動させることにより、第１デバイスの分子配向の乱れを抑制し、第１デバイスが損傷することを抑制できる。そのため、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。

また、本発明の車載発電システムでは、前記火炎検知手段が、イオン電流を検知することにより火炎の有無を検知するためのイオン電流検知手段であることが好適である。

火炎検知手段がイオン電流検知手段であれば、イオン電流を検知することにより、簡易かつ確実に火炎を検知することができ、より確実に、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。

また、本発明の車載発電システムでは、前記イオン電流検知手段が、イオン電流を検知するための検知電極対を、前記排気ガスの流れ方向における前記第１デバイスの上流側および下流側のそれぞれに備えていることが好適である。

イオン電流検知手段が、イオン電流を検知するための検知電極対を、排気ガスの流れ方向における第１デバイスの上流側および下流側のそれぞれに備えていれば、より正確に火炎の位置などを検知できるため、より確実に、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。

本発明の車載発電システムでは、火炎検知手段による火炎の検知に基づいて、第１デバイスの近傍に火炎が検知されるときに電圧印加手段を作動させるため、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１は、本発明の車載発電システムが車載された一実施形態を示す概略構成図である。 図１の制御ユニットにおいて実行される制御処理を示すフロー図である。

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を示す概略構成図である。

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、第１デバイス３の温度を検知するための温度センサ５と、第１デバイス３に電圧を印加するための電圧印加手段としての電圧印加装置６と、第１デバイスの近傍における火炎の有無を検知する火炎検知手段としての検知ユニット７と、検知ユニット７の検知に基づいて電圧印加装置を作動および停止させるための制御手段としての制御ユニット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、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。

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。

吸気管１６は、スロットルバルブ１５を備えており、このスロットルバルブ１５の開閉により、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。

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（図示せず）に電気的に接続されており、エンジン制御ユニット（図示せず）によって、その開閉が制御されている。これにより、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）が制御可能とされている。

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、詳しくは図示しないが、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。

温度センサ５は、第１デバイス３の温度を検知するため、第１デバイス３に近接または接触して設けられる。温度センサ５は、第１デバイス３の温度として、第１デバイス３の表面温度を直接検知するか、または、第１デバイス３の周囲の雰囲気温度を検知し、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用いられる。

電圧印加装置６は、第１デバイス３に電圧を印加するため、第１デバイス３に直接設けられている。具体的には、電圧印加装置６は、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）３０、電圧印加電源２９、およびそれらに接続される導線などを備えており、第１デバイス３と接触し、それら電極３０間に第１デバイス３を介在させるように、配置されている。

なお、電圧印加装置６において、電極３０は、第２デバイス４の電極と共通であってもよく、第２デバイス４の電極とは別途設けられていてもよい。

また、電圧印加装置６において、第１デバイス３に電圧を印加するために設けられる２つの電極３０は、後述する検知電極対２５として兼用することもできる。

検知ユニット７は、第１デバイス３の近傍における火炎の有無を検知する装置であって、例えば、イオン電流検知手段としてのイオン電流検知装置２４から構成されている。

イオン電流検知装置２４は、イオン電流を検知することにより火炎の有無を検知するための装置であって、複数の検知電極対２５、イオン電流検知電源２６およびチェック回路２７を備えている。

検知電極対２５は、互いに間隔を隔てて対向配置される一対（２つ）の電極として形成されている。各電極の形状は特に制限されず、例えば、板状、棒状などが挙げられる。

このような検知電極対２５は、第１デバイス３の近傍において、排気管１７内に（または、排気管１７の内外を貫通するように）複数設けられている。

より具体的には、検知電極対２５は、排気ガスの流れ方向において、各第１デバイス３の上流側および下流側のそれぞれに（すなわち、１つの第１デバイス３に対して少なくとも２つ）備えられている。

検知電極対２５を、排気ガスの流れ方向における第１デバイス３の上流側および下流側のそれぞれに備えていれば、より正確に火炎の位置などを検知できるため、より確実に、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。

また、検知電極対２５を設ける位置としては、第１デバイス３の近傍に限定されず、その他、第１デバイス３から離隔する任意の箇所に設けることもできる。

さらに、電圧印加装置６において、第１デバイス３に電圧を印加するために設けられる２つの電極３０を、検知電極対２５として兼用することができる。

これにより、第１デバイス３の近傍における火炎をより確実に検知することができるため、より確実に、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。

イオン電流検知電源２６は、検知電極対２５に電圧を印加するための電源であって、図示しない導線などを介して、検知電極対２５に直接接続されている（破線参照）。

チェック回路２７は、イオン電流検知電源２６によって検知電極対２５の電極間に電圧を印加したときに、検知電極対２５の電極間における導通の有無を確認（検知）するための回路であって、イオン電流検知電源２６に電気的に接続されるとともに、制御ユニット８に電気的に接続されている（破線参照）。これにより、詳しくは後述するが、第１デバイス３の近傍に火炎が生じたときに、その火炎を検知可能としている。

なお、イオン電流検知装置２４において、イオン電流検知電源２６およびチェック回路２７は、ケース２８などに収容されている。

このように、検知ユニット７がイオン電流検知装置２４から構成されていれば、詳しくは後述するが、イオン電流を検知することにより、簡易かつ確実に火炎を検知することができ、より確実に、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。

制御ユニット８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から構成されている。

この制御ユニット８は、図１において破線で示すように、温度センサ５および電圧印加装置６に電気的に接続されており、詳しくは後述するが、上記した温度センサ５によって第１デバイス３の昇温または降温が検知されたときに、電圧印加装置６を作動または停止させる。

また、この制御ユニット８は、さらに、図１において破線で示すように、検知ユニット７に電気的に接続されており、検知ユニット７の検知に基づいて、電圧印加装置６を作動および停止可能としている。
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。

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１５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、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）。

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。

また、このような車載発電システム１では、より効率的に発電するため、第１デバイス３の温度状態に応じて、第１デバイス３に電圧を印加する。

より具体的には、この車載発電システム１では、上記したエンジン１１（内燃機関２）による加熱および／または冷却とともに、温度センサ５によって、第１デバイス３の温度を連続的に測定し、第１デバイス３が昇温状態であるか、降温状態であるかを検知する。

例えば、温度センサ５によって検知される第１デバイス３の温度が、予め設定された所定の値（例えば、０．２℃／ｓなど）以上上昇したときに、昇温状態であると検知され、また、第１デバイス３の温度が、予め設定された所定の値（例えば、０．２℃／ｓなど）以上下降したときに、降温状態であると検知される。

そして、この車載発電システム１では、第１デバイス３が昇温状態であると検知されたときには、制御ユニット８によって電圧印加装置６を作動させ、第１デバイス３に所定の電圧を印加する。

電圧を印加する時間は、第１デバイス３が降温状態に至るまでであり、具体的には、昇温状態中である。

そして、第１デバイス３が降温状態であると検知されたときには、制御ユニット８によって電圧印加装置６を停止させ、第１デバイス３に対する電圧の印加を停止する。

電圧の印加を停止する時間は、第１デバイス３が昇温状態に至るまでであり、具体的には、降温状態中である。

また、電圧印加装置６を作動させてから上記電圧が印加される（すなわち、電場の強さが上記の所定値に達する）までの所要時間、および、電圧印加装置６を停止させてから、電場の強さが０ｋＶ／ｍｍに達するまでの所要時間は、実質的に０秒とみなすことができる。

すなわち、この車載発電システム１では、上記所定値に満たない電圧が印加されている時間は、実質的に０秒であって、上記所定値の電圧が印加されている状態（ＯＮ）と、電圧が印加されていない状態（ＯＦＦ）とが、制御ユニット８によって切り替えられている。

このように、上記の車載発電システム１では、第１デバイス３の昇温が検知されたときには、電圧印加装置６が作動され、第１デバイス３に電圧が印加される。一方、第１デバイス３の降温が検知されたときには、電圧印加装置６が停止され、電圧の印加が停止される。

このような車載発電システム１によれば、電圧印加装置６を作動または停止させる、つまり、ＯＮ／ＯＦＦ操作するという比較的簡易な方法によって、電圧を印加しない場合に比べ、第１デバイス３から効率的にエネルギーを取り出すことができ、発電効率の向上を図ることができる。

また、このような車載発電システム１において、第１デバイス３は、その加熱および／または冷却の方法によっては、昇温および降温されることなく、定温状態（温度変化量が所定値（例えば、０．２℃／ｓ）未満）で一時的に維持される場合がある。そのような場合、電圧は、第１デバイス３の昇温中およびその昇温後の定温状態中に印加され、降温中およびその降温後の定温状態中に、電圧の印加が停止される。

なお、通常は、内燃機関２により温度が上下される場合、第１デバイス３は、実質的に定温状態になることなく、昇温状態および降温状態が繰り返される。

また、発電効率の向上を図る方法としては、上記したように電圧印加装置６を単に作動および停止させるだけでなく、例えば、その印加電圧の大きさを第１デバイス３の温度状態に応じて変化させることも検討される。しかし、このような方法では、印加電圧を徐々に増減させるという煩雑な操作を必要とするため、手間がかかるという不具合がある。

一方、上記の車載発電システム１では、電圧印加装置６を作動または停止させるという比較的簡易な方法によって、発電効率の向上を図ることができる。

さらに、上記の第１デバイス３は、そのキュリー点を超える環境下に曝されると損傷を生じ、発電性能が低下する場合や、発電不能となる場合がある。

しかし、上記の車載発電システム１では、第１デバイス３が昇温されるときに電圧が印加されるので、第１デバイス３が、そのキュリー点を超える環境下に曝される場合にも、第１デバイス３が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。その結果、高温環境下においても、優れた効率で発電することができる。

そして、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．アフターファイア
このような車載発電システム１が搭載される自動車１０では、その走行条件によって、アフターファイア（アフターバーン）が生じる場合がある。

具体的には、アフターファイアは、燃焼室１４内において燃焼しなかった燃料（未燃焼燃料）や、燃焼が不十分であった燃料（不完全燃焼燃料）が、気筒１２から排気管１７に排出されたときに、排気管１７内において燃焼（爆発）し、火炎を生じる現象であり、種々の要因によって惹起される。

例えば、自動車１０の運転中、アクセルペダルの踏み込みによりスロットルバルブ１５の開度を大とし、空気の供給量を増加させるとともに、燃料噴射弁２３による燃料の供給量を増加させる場合などには、燃料の増加量に対して空気の増加量が不十分となる場合があり、気筒１２内において、燃料が過剰となる場合がある。

そして、気筒１２内に燃料が過剰に供給されると、燃料を十分に燃焼させることができず、未燃焼燃料や不完全燃焼燃料が、排気管１７に排出される場合がある。

また、例えば、アクセルペダルを戻し、スロットルバルブ１５を閉とする場合には、空気の供給が停止されるので、吸気バルブ１８の近傍に付着している燃料などが負圧によって気筒１２に供給され、気筒１２内における燃料量が過剰となる場合がある。そして、上記と同様、燃料が過剰に供給されると、気筒１２内において十分に燃焼させることができず、未燃焼燃料や不完全燃焼燃料が排気管１７に排出される場合がある。

このように、スロットルバルブ１５の開閉およびその開度によって、過剰の燃料が気筒１２内に供給されると、未燃焼燃料や不完全燃焼燃料が排気管１７に排出される場合があり、これにより排気管１７内においてアフターファイアが発生する場合がある。

なお、アフターファイアの発生は、上記に限定されず、その他の種々の要因により予測される。具体的には、例えば、気筒１２に備えられる点火プラグ（図示せず）が摩耗すると、燃料の燃焼時において点火不良が生じ、十分に燃料を燃焼させることができない場合がある。このような場合にも、未燃焼燃料や不完全燃焼燃料が排気管１７に排出され、アフターファイアが発生する場合がある。

また、例えば、図示しないが、自動車１０では、点火プラグ（図示せず）による点火を停止させ、または、点火を遅延させることにより、スピードリミッターなどのリミッター（図示せず）の作動させる場合がある。このような場合にも、未燃焼燃料や不完全燃焼燃料が排気管１７に排出され、アフターファイアが発生する場合がある。

そして、このようにして未燃焼燃料や不完全燃焼燃料が排気管１７に排出され、排気管１７内でアフターファイアが発生して、第１デバイス３の近傍において火炎が生じると、その急激な温度上昇によって、第１デバイスに損傷を生じ、発電効率の低下を惹起する場合や、発電不能となる場合がある。

そのため、この車載発電システム１では、以下に示す処理により、検知ユニット７（イオン電流検知装置２４）によって火炎を検知し、その検知に基づいて、電圧印加装置６を作動させることにより、第１デバイス３の破損を抑制する。

図２は、図１の制御ユニット８において実行される制御処理を示すフロー図である。図２に示す制御処理（プログラム）は、例えば、制御ユニット８のＲＯＭに記憶されており、その制御処理がＣＰＵにより実行される。

この制御処理は、上記したエンジン１１の駆動をトリガーとしてスタートされる。

この処理が実行されると、すなわち、エンジン１１が駆動されると、エンジン１１から排出される排気ガスによって第１デバイス３の温度が経時的に変化する。このとき、上記したように、第１デバイス３の温度条件（昇温状態／降温状態）に応じて、電圧印加装置６が作動および停止される（ステップＳ１）。

なお、以下において、第１デバイス３の温度条件（昇温状態／降温状態）に応じて電圧印加装置６を作動および停止する制御を、通常電圧制御と称する場合がある。

次いで、この処理では、検知ユニット７により、第１デバイス３の近傍における火炎が検知される（ステップＳ２）。

より具体的には、例えば、検知ユニット７としてイオン電流検知装置２４が用いられる場合、まず、イオン電流検知装置２４の検知電極対２５の電極間に電圧が印加される。印加電圧の大きさは、特に制限されず、適宜設定される。そして、検知電極対２５の電極間の導通が、チェック回路２７によって検知される。

すなわち、この排気管１７内において燃料が燃焼し、火炎（アフターファイア）が生じる場合には、その燃焼により排気管１７内の種々の分子がイオン化する。そして、これにより生じたイオンが検知電極対２５の電極間に存在する場合には、イオン電流による導通が、検知電極対２５の電極間に生じる。

そのため、検知電極対２５の電極間が導通すれば、検知電極対２５の電極間にイオンが存在するものと判断され、これにより、火炎が検知される。一方、検知電極対２５の電極間が導通していなければ、検知電極対２５の電極間にイオンが存在しないものと判断され、火炎が存在しないと判断される。

また、同様にして、第１デバイス３の近傍の他、第１デバイス３から離隔された箇所に設けられた複数の検知電極対２５に電圧を印加し、その導通を検知すれば、導通された検知電極対２５の位置などに基づいて、排気管１７内における火炎の発生箇所や挙動など推察することができる。

さらに、上記の通常電圧制御において、電圧印加装置６の電極３０間に電圧が印加されていないとき（すなわち、第１デバイス３が降温状態であるとき）に、電圧印加装置６の２つの電極３０を、検知電極対２５として兼用することができる。

具体的には、電圧印加装置６の各電極３０と第１デバイス３との間をわずかに離隔し、第１デバイス３が降温状態であるときに、その電極３０間に微小な電圧（例えば、通常電圧制御において印加される電圧の１０％以下で導通すればよい。）を印加し、その電極３０間の導通を検知する。これにより、電圧印加装置６の２つの電極３０を検知電極対２５として兼用し、火炎を検知することができる。

そして、この処理では、検知ユニット７において火炎が検知された場合（ステップＳ２のＹＥＳ）には、制御ユニット８により電圧印加装置６が作動され、火炎の近傍の第１デバイス３に、電圧が印加される（ステップＳ３）。

例えば、複数が整列配置される第１デバイス３のうち、特定の第１デバイス３の近傍において火炎が検知された場合には、その第１デバイス３に、電圧が印加される。

また、好ましくは、電圧が印加される第１デバイス３の周囲、すなわち、車両上下方向、前後方向および左右方向などに隣接配置される第１デバイス３にも、電圧が印加される。

なお、上記のように火炎を検知する間にも、電圧印加装置６は通常電圧制御されており、電圧印加装置６は、第１デバイス３の温度条件（昇温状態／降温状態）に応じて作動または停止されている。

そのため、火炎が検知されたときに、第１デバイス３が昇温状態である場合には、通常電圧制御として、第１デバイス３に電圧が印加されている場合がある。そのような場合には、引き続き、第１デバイス３に対して電圧が印加される。

一方、火炎が検知されたときに、第１デバイス３が降温状態であり、電圧印加装置６が停止されている場合には、通常電圧制御とは独立して、電圧印加装置６が作動され、第１デバイス３に電圧が印加される。

このように電圧印加装置６を作動させることにより、第１デバイス３の近傍に火炎が生じて、第１デバイス３の温度が上昇する場合にも、第１デバイス３の分子配向の乱れを抑制し、第１デバイス３が損傷することを抑制できる。

次いで、この処理では、第１デバイス３の温度が温度センサ５により検知され、第１デバイス３の温度が所定温度（例えば、第１デバイス３のキュリー点）以下であるかが判断される（ステップＳ４）。

そして、第１デバイス３の温度が所定温度（例えば、第１デバイス３のキュリー点）を超える場合（ステップＳ４のＮＯ）には、やはり、第１デバイスの分子配向が乱れるなどして、第１デバイス３に損傷を生じる場合がある。

そのため、第１デバイス３の温度が所定温度以下となるまで、上記の電圧を引き続き印加する（ステップＳ３）。

一方、第１デバイス３の温度が所定温度以下である場合（ステップＳ４のＹＥＳ）には、続いて、エンジン１１が停止されているか、駆動されているかが判断される（ステップＳ５）。

そして、エンジン１１が駆動されている場合（ステップＳ５のＮＯ）には、引き続き、電圧印加装置６が通常電圧制御され、第１デバイス３の温度条件（昇温状態／降温状態）に応じて、電圧印加装置６が作動および停止される（ステップＳ１）。すなわち、火炎の検知に基づいて作動された電圧印加装置６は、第１デバイス３が降温状態となったときに、停止される。

一方、エンジン１１が停止されている場合（ステップＳ５のＹＥＳ）には、電圧印加装置６が停止され、電圧の印加が停止される（ステップＳ６）。

なお、第１デバイス３の近傍において火炎が生じていないと判断される場合（ステップＳ２のＮＯ）には、上記と同様、エンジン１１が停止されているか、駆動されているかが判断される（ステップＳ５）。

そして、エンジン１１が駆動している間（ステップＳ５のＮＯ）は、引き続き、通常電圧制御され、第１デバイス３の温度条件に応じて、電圧印加装置６が作動および停止される（ステップＳ１）。

一方、火炎が検知されずに、エンジン１１が停止された場合（ステップＳ５のＹＥＳ）には、電圧印加装置６が停止され、電圧の印加が停止される（ステップＳ６）。

これにより、エンジン１１および電圧印加装置６が停止され、制御処理（プログラム）が終了される。
４．作用・効果
このような車載発電システム１では、検知ユニット７による火炎の検知に基づいて、第１デバイス３の近傍に火炎が検知されるときに制御ユニット８が電圧印加装置６を作動させる。

そのため、このような車載発電システム１では、第１デバイス３の近傍に火炎が生じて、第１デバイス３の温度が上昇する場合にも、電圧印加装置６を作動させることにより、第１デバイス３の分子配向の乱れを抑制し、第１デバイス３が損傷することを抑制できる。そのため、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。

また、検知ユニット７がイオン電流検知装置２４であれば、イオン電流を検知することにより、簡易かつ確実に火炎を検知することができ、より確実に、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。

さらに、イオン電流検知装置２４が、イオン電流を検知するための検知電極対２５を、排気ガスの流れ方向における第１デバイス３の上流側および下流側のそれぞれに備えていれば、より正確に火炎の位置などを検知できるため、より確実に、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。

なお、上記した説明では、検知ユニット７と制御ユニット８とは、それぞれ別体として設けられているが、例えば、検知ユニット７と制御ユニット８とは、一体的に設けられていてもよい。

また、上記した説明では、第１デバイス３を電圧印加装置６の電極間に挟み込み、電圧を印加したが、電圧を印加する方法としては、これに限定されず、例えば、第１デバイス３に端子などを直接挿入し、電圧を印加することもできる。

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
６ 電圧印加装置
７ 検知ユニット
８ 制御ユニット

Claims (3)

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、
   前記第１デバイスに電圧を印加する電圧印加手段と、
   前記第１デバイスの近傍における火炎の有無を検知する火炎検知手段と、
   前記火炎検知手段の検知に基づいて、
   前記第１デバイスの近傍に火炎が検知されるときに、前記電圧印加手段を作動させるための制御手段と
   を備えることを特徴とする、車載発電システム。
2. 前記火炎検知手段が、
   イオン電流を検知することにより火炎の有無を検知するためのイオン電流検知手段であ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。
3. 前記イオン電流検知手段が、イオン電流を検知するための検知電極対を、前記排気ガスの流れ方向における前記第１デバイスの上流側および下流側のそれぞれに備えていることを特徴とする、請求項２に記載の車載発電システム。

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