JP2005180397A - Thermal acoustic engine - Google Patents

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Yasushi Ito
泰志 伊藤
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    • F01NGAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
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    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermal acoustic engine capable of surely generating thermal acoustic self-excited vibration of a working fluid, by always forming a large temperature gradient between both end parts of a heat accumulating means. <P>SOLUTION: This thermal acoustic engine 20 has a columnar gas pipe 21 sealed with the working fluid, a heat accumulator 25 arranged in the columnar gas pipe 21, a high temperature heat exchanger 26 for heating one end part of the heat accumulator 25 with exhaust gas of an internal combustion engine 1 as a heat source, a low temperature heat exchanger 27 constituted for selectively supplying cooling water and air of the internal combustion engine 1 as a refrigerant and cooling the other end part of the heat accumulator 25 by the cooling water or the air, and an ECU 40. The ECU 40 supplies the air to the low temperature heat exchanger 27 when a temperature difference between both end parts of the heat accumulator 25 becomes less than a predetermined value. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、気柱管内に配置された蓄熱手段の両端部間に温度勾配を形成し、気柱管内の作動流体の熱音響自励振動を発生させる熱音響エンジンに関する。   The present invention relates to a thermoacoustic engine that forms a temperature gradient between both ends of a heat storage means arranged in an air column tube and generates thermoacoustic self-excited vibration of a working fluid in the air column tube.

従来から、熱音響現象を利用した冷凍機が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。この冷凍機は、気体が封入される配管と、この配管の内部に配置されると共に高温側熱交換器と低温側熱交換器とで挟まれたスタックと、このスタックと非対称の位置に高温側熱交換器および低温側熱交換器と共に配置された蓄冷器とを備える。この冷凍機は、スタックの両端部間に温度勾配を形成することにより、スタックにて気体の自励振動を発生させ、それによって得られる定在波および進行波の伝播により蓄冷器に蓄冷するものである。   Conventionally, a refrigerator utilizing a thermoacoustic phenomenon has been proposed (see, for example, Patent Document 1). This refrigerator includes a pipe filled with gas, a stack disposed inside the pipe and sandwiched between a high temperature side heat exchanger and a low temperature side heat exchanger, and a high temperature side at a position asymmetric with the stack. And a regenerator arranged together with the heat exchanger and the low temperature side heat exchanger. This refrigerator generates a self-excited vibration of gas in the stack by forming a temperature gradient between both ends of the stack, and stores it in the regenerator by propagation of standing waves and traveling waves obtained thereby. It is.

また、従来から、熱音響現象を利用して内燃機関の廃熱を回収する装置も提案されている(例えば、特許文献2参照。)。この装置は、内燃機関の排気浄化用触媒コンバータに接続された共鳴管と、この共鳴管の一端に設けられたスタックと、共鳴管の他端に設けられたトランスデューサとを備える。この装置では、触媒コンバータから発せられる熱によりスタックの一端が加熱され、スタックの両端部間に温度勾配が付与される。これにより、スタックにて音波が発生し、音波のエネルギはトランスデューサによって電気エネルギに変換される。   Conventionally, an apparatus for recovering waste heat of an internal combustion engine using a thermoacoustic phenomenon has been proposed (see, for example, Patent Document 2). This device includes a resonance pipe connected to an exhaust gas purification catalytic converter of an internal combustion engine, a stack provided at one end of the resonance pipe, and a transducer provided at the other end of the resonance pipe. In this apparatus, one end of the stack is heated by heat generated from the catalytic converter, and a temperature gradient is applied between both ends of the stack. Thereby, sound waves are generated in the stack, and the energy of the sound waves is converted into electric energy by the transducer.

特許第3015786号公報Japanese Patent No. 3015786 特開2002−122020号公報JP 2002-122020 A

上述のように、内燃機関の廃熱を利用してスタックの両端部間に温度勾配を形成することにより、内燃機関の廃熱を冷熱や電気エネルギに変換することができる。しかしながら、上述の作動流体の自励振動(音波)を確実に発生させるためには、スタック(蓄熱手段)の両端部に充分に大きな温度勾配を常時形成する必要がある。   As described above, the waste heat of the internal combustion engine can be converted into cold energy or electric energy by forming a temperature gradient between both ends of the stack using the waste heat of the internal combustion engine. However, in order to reliably generate the above-described self-excited vibration (sound wave) of the working fluid, it is necessary to always form a sufficiently large temperature gradient at both ends of the stack (heat storage means).

そこで、本発明は、蓄熱手段の両端部間に大きな温度勾配を常時形成して、作動流体の熱音響自励振動を確実に発生させることができる熱音響エンジンの提供を目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a thermoacoustic engine that can always generate a large temperature gradient between both end portions of a heat storage means and reliably generate thermoacoustic self-excited vibration of a working fluid.

本発明による熱音響エンジンは、作動流体が封入される気柱管と、この気柱管の内部に配置された蓄熱手段とを有し、内燃機関の余剰エネルギを利用して蓄熱手段の両端部間に温度勾配を形成し、作動流体の熱音響自励振動を発生させる熱音響エンジンにおいて、内燃機関の排気ガスを熱源として蓄熱手段の一端部を加熱する高温熱交換器と、内燃機関の冷却水と空気とを冷媒として選択的に供給可能に構成されており、冷却水または空気により蓄熱手段の他端部を冷却する低温熱交換器と、蓄熱手段の両端部間の温度差が所定値を下回った際に、低温熱交換器に空気が供給されるようにする制御手段とを備えることを特徴とする。   A thermoacoustic engine according to the present invention includes an air column tube in which a working fluid is sealed, and heat storage means disposed inside the air column tube, and both end portions of the heat storage unit using surplus energy of the internal combustion engine. In a thermoacoustic engine that forms a temperature gradient in between and generates thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid, a high-temperature heat exchanger that heats one end of the heat storage means using the exhaust gas of the internal combustion engine as a heat source, and cooling of the internal combustion engine Water and air can be selectively supplied as a refrigerant, and a temperature difference between the low-temperature heat exchanger that cools the other end of the heat storage means with cooling water or air and the both ends of the heat storage means is a predetermined value. And a control means for supplying air to the low-temperature heat exchanger when the temperature falls below.

この熱音響エンジンは、蓄熱手段の両端部間に温度勾配を形成して作動流体の熱音響自励振動を発生させるために、内燃機関の排気ガスを熱源とする高温熱交換器と、内燃機関の冷却水と空気とを冷媒として選択的に使用可能な低温熱交換器とを備える。そして、この熱音響エンジンでは、蓄熱手段の両端部間の温度差が所定値を下回った際に、制御手段により、低温熱交換器に供給される冷媒が内燃機関の冷却水から空気へと切り換えられる。これにより、この熱音響エンジンでは、蓄熱手段の両端部間に大きな温度勾配を常時形成することが可能となるので、作動流体の熱音響自励振動を確実に発生させて、常時所望の音響出力を得ることができる。   This thermoacoustic engine includes a high-temperature heat exchanger that uses exhaust gas of an internal combustion engine as a heat source, and generates an internal combustion engine to generate a thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid by forming a temperature gradient between both ends of the heat storage means. A low-temperature heat exchanger that can selectively use the cooling water and air as refrigerant. In this thermoacoustic engine, when the temperature difference between both ends of the heat storage means falls below a predetermined value, the control means switches the refrigerant supplied to the low temperature heat exchanger from the cooling water of the internal combustion engine to the air. It is done. As a result, in this thermoacoustic engine, it is possible to always form a large temperature gradient between the both ends of the heat storage means, so that the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid is reliably generated and the desired acoustic output is always obtained. Can be obtained.

この場合、制御手段は、冷却水の温度が所定値を上回った際に、低温熱交換器に空気が供給されるようにするものであると好ましい。   In this case, it is preferable that the control means is configured to supply air to the low-temperature heat exchanger when the temperature of the cooling water exceeds a predetermined value.

また、制御手段は、高温熱交換器と冷却水との温度差が所定値を下回った際に、低温熱交換器に空気が供給されるようにするものであってもよい。   The control means may be configured to supply air to the low-temperature heat exchanger when the temperature difference between the high-temperature heat exchanger and the cooling water falls below a predetermined value.

更に、制御手段は、低温熱交換器と冷却水との温度差が所定値を下回った際に、低温熱交換器に空気が供給されるようにするものであってもよい。   Furthermore, the control means may be configured to supply air to the low-temperature heat exchanger when the temperature difference between the low-temperature heat exchanger and the cooling water falls below a predetermined value.

また、制御手段は、高温熱交換器と低温熱交換器との温度差が所定値を下回った際に、低温熱交換器に空気が供給されるようにするものであってもよい。   The control means may be configured to supply air to the low-temperature heat exchanger when the temperature difference between the high-temperature heat exchanger and the low-temperature heat exchanger falls below a predetermined value.

本発明によれば、蓄熱手段の両端部間に大きな温度勾配を常時形成して、作動流体の熱音響自励振動を確実に発生させることができる熱音響エンジンの実現が可能となる。   According to the present invention, it is possible to realize a thermoacoustic engine which can always generate a large temperature gradient between both end portions of the heat storage means and reliably generate the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid.

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明による熱音響エンジンの一実施形態を示す概略構成図である。同図に示されるように、熱音響エンジン20は、例えば車両の走行駆動源として用いられる内燃機関1に適用される。まず、熱音響エンジン20の適用対象である内燃機関1について簡単に説明すると、この内燃機関1は、シリンダブロック2に形成された燃焼室3の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室3内でピストン4を往復移動させて動力を発生するものである。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a thermoacoustic engine according to the present invention. As shown in the figure, the thermoacoustic engine 20 is applied to, for example, an internal combustion engine 1 used as a travel drive source of a vehicle. First, the internal combustion engine 1 to which the thermoacoustic engine 20 is applied will be briefly described. The internal combustion engine 1 burns a mixture of fuel and air in a combustion chamber 3 formed in the cylinder block 2 and burns it. The piston 4 is reciprocated in the chamber 3 to generate power.

燃焼室3の吸気ポートは、吸気マニホールド5に接続され、燃焼室3の排気ポートは、排気マニホールド6に接続されている。また、内燃機関1のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Vi、排気ポートを開閉する排気弁Ve、点火プラグ7およびインジェクタ8が燃焼室3ごとに配設されている。吸気マニホールド5は、サージタンク9に接続されており、サージタンク9には、給気管L1が接続されている。そして、給気管L1は、エアクリーナ10を介して図示されない空気取入口に接続されている。更に、給気管L1の中途(サージタンク9とエアクリーナ10との間)には、スロットルバルブ11が組み込まれている。一方、排気マニホールド6は、排気管L2に接続されており、排気管L2には、前段触媒装置12aおよび後段触媒装置12bが組み込まれている。   The intake port of the combustion chamber 3 is connected to the intake manifold 5, and the exhaust port of the combustion chamber 3 is connected to the exhaust manifold 6. In addition, an intake valve Vi that opens and closes an intake port, an exhaust valve Ve that opens and closes an exhaust port, a spark plug 7, and an injector 8 are disposed for each combustion chamber 3 in the cylinder head of the internal combustion engine 1. The intake manifold 5 is connected to a surge tank 9, and an air supply pipe L <b> 1 is connected to the surge tank 9. The air supply pipe L1 is connected to an air intake port (not shown) via the air cleaner 10. Further, a throttle valve 11 is incorporated in the middle of the supply pipe L1 (between the surge tank 9 and the air cleaner 10). On the other hand, the exhaust manifold 6 is connected to an exhaust pipe L2, and a front-stage catalyst device 12a and a rear-stage catalyst device 12b are incorporated in the exhaust pipe L2.

本発明の熱音響エンジン20は、上述のような内燃機関1の排気熱を回収するために用いられる。熱音響エンジン20は、ステンレス等により円形断面を有するように形成された気柱管21を有し、この気柱管21の内部には、窒素、ヘリウム、アルゴン、ヘリウムおよびアルゴンの混合ガスといった作動流体(不活性ガス)が封入される。気柱管21は、図1に示されるように、概ね矩形ループ状に形成されたループ部22と、ループ部22の一つのコーナー部に接続された共鳴部23とを含む。共鳴部23は、ループ部22と概ね同径の円形断面を有する管部23aと、管部23aの先端に接続された閉鎖端部23bとを含み、共鳴器として機能する。閉鎖端部23bは、管部23aの先端から閉鎖端に向かうにつれて徐々に拡径されている。   The thermoacoustic engine 20 of the present invention is used to recover the exhaust heat of the internal combustion engine 1 as described above. The thermoacoustic engine 20 has an air column tube 21 formed of stainless steel or the like so as to have a circular cross section, and inside the air column tube 21 is an operation such as nitrogen, helium, argon, a mixed gas of helium and argon. A fluid (inert gas) is enclosed. As shown in FIG. 1, the air column tube 21 includes a loop portion 22 formed in a substantially rectangular loop shape and a resonance portion 23 connected to one corner portion of the loop portion 22. The resonance part 23 includes a tube part 23a having a circular cross section approximately the same diameter as the loop part 22, and a closed end part 23b connected to the tip of the tube part 23a, and functions as a resonator. The diameter of the closed end portion 23b is gradually increased from the distal end of the tube portion 23a toward the closed end.

また、気柱管21のループ部22の内部には、蓄熱器(蓄熱手段)25が配置されている。蓄熱器25は、配置箇所における気柱管21の軸方向と平行に延びる狭い流路を複数有する。蓄熱器25としては、セラミック等からなるハニカム構造体、ステンレス等からなる薄いメッシュを微小間隔で配列したもの、ステンレス等の金属製繊維を集合させた不織布等を採用することができる。この蓄熱器25の一端側には、高温熱交換器26が隣接して配置されており、蓄熱器25の他端側には、低温熱交換器27が隣接して配置されている。すなわち、蓄熱器25は、高温熱交換器26と低温熱交換器27との間に挟まれた状態で配置される。   A heat accumulator (heat storage means) 25 is disposed inside the loop portion 22 of the air column tube 21. The heat accumulator 25 has a plurality of narrow flow paths extending in parallel with the axial direction of the air column tube 21 at the arrangement location. As the heat accumulator 25, a honeycomb structure made of ceramic or the like, a thin mesh made of stainless steel or the like arranged at a minute interval, a nonwoven fabric in which metal fibers such as stainless steel are gathered, or the like can be used. A high temperature heat exchanger 26 is disposed adjacent to one end side of the heat accumulator 25, and a low temperature heat exchanger 27 is disposed adjacent to the other end side of the heat accumulator 25. That is, the heat accumulator 25 is arranged in a state of being sandwiched between the high temperature heat exchanger 26 and the low temperature heat exchanger 27.

高温熱交換器26を構成する伝熱管には、内燃機関1の排気管L2を流通する排気ガスが供給され、高温熱交換器26は、内燃機関1の排気ガスを熱源とする。本実施形態では、高温熱交換器(その伝熱管)26は、前段触媒装置12aと後段触媒装置12bとの間で排気管L2に組み込まれており、高温熱交換器(その伝熱管)26の排気ガス入口には、排気供給調整弁(開閉弁)15が設けられている。この排気供給調整弁15を閉鎖することにより、高温熱交換器26に対する排気ガスの供給を停止することができる。   Exhaust gas flowing through the exhaust pipe L2 of the internal combustion engine 1 is supplied to the heat transfer tubes constituting the high temperature heat exchanger 26, and the high temperature heat exchanger 26 uses the exhaust gas of the internal combustion engine 1 as a heat source. In the present embodiment, the high-temperature heat exchanger (its heat transfer tube) 26 is incorporated in the exhaust pipe L2 between the front-stage catalyst device 12a and the rear-stage catalyst device 12b, and the high-temperature heat exchanger (its heat transfer tube) 26 An exhaust supply adjustment valve (open / close valve) 15 is provided at the exhaust gas inlet. By closing the exhaust supply adjusting valve 15, the supply of exhaust gas to the high temperature heat exchanger 26 can be stopped.

また、低温熱交換器27は、内燃機関の冷却水と、外部の空気とを冷媒として選択的に供給可能に構成されている。すなわち、低温熱交換器27は、冷却水を流通させる水冷熱交換部27wと、空気を流通させる空冷熱交換部27aとを有している。低温熱交換器27の水冷熱交換部27wは、内燃機関1の冷却系統L3に組み込まれており、低温熱交換器27の空冷熱交換部27aは、空気系統L4に組み込まれている。なお、図示は省略されるが、低温熱交換器27の表面には、放熱用のフィンが複数配設されている。   The low-temperature heat exchanger 27 is configured to be able to selectively supply cooling water of the internal combustion engine and external air as refrigerants. That is, the low-temperature heat exchanger 27 has a water-cooled heat exchanging unit 27w for circulating cooling water and an air-cooled heat exchanging unit 27a for circulating air. The water-cooled heat exchanger 27w of the low-temperature heat exchanger 27 is incorporated in the cooling system L3 of the internal combustion engine 1, and the air-cooled heat exchanger 27a of the low-temperature heat exchanger 27 is incorporated in the air system L4. In addition, although illustration is abbreviate | omitted, on the surface of the low-temperature heat exchanger 27, the fin for heat radiation is arrange | positioned in multiple numbers.

図1に示されるように、内燃機関1の冷却系統L3には、水冷熱交換部27wの流体入口に設けられた冷却水流入弁(開閉弁)31と、流体出口に設けられた冷却水流出弁(開閉弁)32と、冷却水を水冷熱交換部27wに供給するための冷却水ポンプ33とが含まれている。従って、冷却水流入弁31および冷却水流出弁32を開放させた状態で冷却水ポンプ33を作動させることにより、冷却系統L3を流通する冷却水を水冷熱交換部27wに供給することができる。また、冷却水ポンプ33を停止させると共に、冷却水流入弁31および冷却水流出弁32を閉鎖させることにより、水冷熱交換部27wへの冷却水の供給を停止することができる。   As shown in FIG. 1, the cooling system L3 of the internal combustion engine 1 includes a cooling water inflow valve (open / close valve) 31 provided at the fluid inlet of the water cooling heat exchanging portion 27w and a cooling water outflow provided at the fluid outlet. A valve (open / close valve) 32 and a cooling water pump 33 for supplying cooling water to the water cooling heat exchanging unit 27w are included. Therefore, by operating the cooling water pump 33 with the cooling water inflow valve 31 and the cooling water outflow valve 32 opened, the cooling water flowing through the cooling system L3 can be supplied to the water cooling heat exchanging unit 27w. Further, by stopping the cooling water pump 33 and closing the cooling water inflow valve 31 and the cooling water outflow valve 32, the supply of the cooling water to the water cooling heat exchanging portion 27w can be stopped.

同様に、空気系統L4には、空冷熱交換部27aの流体入口に設けられた空気流入弁34(開閉弁)と、流体出口に設けられた空気流出弁(開閉弁)35と、周囲から空気を取り入れて空冷熱交換部27aに循環供給するためのエアポンプ36とが含まれている。従って、空気流入弁34および空気流出弁35を開放させた状態でエアポンプ36を作動させることにより、空気を空冷熱交換部27aに循環供給することができる。また、エアポンプ36を停止させると共に、空気流入弁34および空気流出弁35を閉鎖させることにより、空冷熱交換部27aへの空気の供給を停止することができる。   Similarly, the air system L4 includes an air inflow valve 34 (open / close valve) provided at the fluid inlet of the air-cooling heat exchanger 27a, an air outflow valve (open / close valve) 35 provided at the fluid outlet, and air from the surroundings. And an air pump 36 for circulatingly supplying the air-cooled heat exchanger 27a. Therefore, by operating the air pump 36 with the air inflow valve 34 and the air outflow valve 35 being opened, air can be circulated and supplied to the air-cooling heat exchange unit 27a. Further, by stopping the air pump 36 and closing the air inflow valve 34 and the air outflow valve 35, the supply of air to the air cooling heat exchanging portion 27a can be stopped.

更に、気柱管21のループ部22には、蓄冷器250、蓄冷用高温熱交換器260および蓄冷用低温熱交換器270が配置されている。この場合、蓄冷用高温熱交換器260は、蓄冷器250の一端部を概ね常温(20〜25℃)に保つことができるように構成される。また、蓄冷用低温熱交換器270は、上述の低温熱交換器27と隣り合うように配置され、蓄冷用低温熱交換器270(その伝熱管)には、所定の冷媒が循環供給される。なお、本実施形態において、ループ部22の内部に蓄冷器250、蓄冷用の高温および低温熱交換器260,270を配置する代わりに、共鳴部23の閉鎖端部23bの内部等にトランスデューサを配置し、音響エネルギを回収して電気エネルギを得てもよい。また、気柱管21に対して、蓄冷器250等のユニットとトランスデューサとの双方が配置されてもよい。   Furthermore, the regenerator 250, the cold storage high temperature heat exchanger 260, and the cold storage low temperature heat exchanger 270 are arranged in the loop portion 22 of the air column tube 21. In this case, the cold storage high-temperature heat exchanger 260 is configured so that one end of the cold storage 250 can be maintained at approximately room temperature (20 to 25 ° C.). The cold storage heat exchanger 270 is disposed adjacent to the low temperature heat exchanger 27 described above, and a predetermined refrigerant is circulated and supplied to the cold storage heat exchanger 270 (its heat transfer tube). In the present embodiment, instead of arranging the regenerator 250 and the high and low temperature heat exchangers 260 and 270 for cold storage inside the loop part 22, a transducer is arranged inside the closed end 23 b of the resonance part 23. Then, acoustic energy may be collected to obtain electrical energy. Further, both the unit such as the regenerator 250 and the transducer may be arranged for the air column tube 21.

そして、熱音響エンジン20は、内燃機関1の制御手段として機能する電子制御ユニット(以下「ECU」という)40により制御される。ECU40は、何れも図示されないCPU、ROM、RAM、入出力ポートおよび記憶装置等を含むものである。上述の冷却系統L3の冷却水流入弁31、冷却水流出弁32および冷却水ポンプ33、空気系統L4の空気水流入弁34、空気水流出弁35およびエアポンプ36、高温熱交換器26の排気ガス入口に設けられた排気供給調整弁15等は、それぞれECU40の入出力ポートに接続されており、これらはECU40によって制御される。また、本実施形態では、冷却系統L3に水温センサTが設置されており、この水温センサTは、低温熱交換器27に供給される冷却水の温度を検出し、検出値を示す信号をECU40に与える。   The thermoacoustic engine 20 is controlled by an electronic control unit (hereinafter referred to as “ECU”) 40 that functions as control means of the internal combustion engine 1. The ECU 40 includes a CPU, a ROM, a RAM, an input / output port, a storage device, etc., all not shown. The cooling water inflow valve 31, the cooling water outflow valve 32 and the cooling water pump 33 of the cooling system L3, the air water inflow valve 34 of the air system L4, the air water outflow valve 35 and the air pump 36, and the exhaust gas of the high temperature heat exchanger 26. The exhaust supply adjustment valve 15 and the like provided at the inlet are respectively connected to the input / output ports of the ECU 40, and these are controlled by the ECU 40. In the present embodiment, a water temperature sensor T is installed in the cooling system L3. The water temperature sensor T detects the temperature of the cooling water supplied to the low-temperature heat exchanger 27, and outputs a signal indicating the detected value to the ECU 40. To give.

上述のように構成される熱音響エンジン20を作動させる際には、熱音響エンジン20の高温熱交換器26に燃焼室3からの排気ガスが導入される。また、熱音響エンジン20の低温熱交換器27(水冷熱交換部27w)には、基本的に、冷却水ポンプ33によって冷却系統L3を流通する冷却水が供給される。   When operating the thermoacoustic engine 20 configured as described above, the exhaust gas from the combustion chamber 3 is introduced into the high-temperature heat exchanger 26 of the thermoacoustic engine 20. In addition, the low-temperature heat exchanger 27 (water-cooled heat exchanger 27w) of the thermoacoustic engine 20 is basically supplied with cooling water flowing through the cooling system L3 by the cooling water pump 33.

ここで、内燃機関1の排気ガスの温度は、通常およそ250〜500℃程度に達することから、蓄熱器25の一端部は、高温熱交換器26を流通する排気ガスによって加熱されて昇温する。これに対して、内燃機関1の冷却水の温度は、内燃機関1の冷間始動直後に概ね大気温度となり、暖機完了後には概ね80〜90℃となるので、蓄熱器25の他端部は、低温熱交換器27を流通する冷却水によって冷却される。この結果、蓄熱器25の両端部間に大きな温度勾配が形成され、これに起因して、作動流体の熱音響自励振動(音波)が発生する。   Here, since the temperature of the exhaust gas of the internal combustion engine 1 normally reaches about 250 to 500 ° C., one end portion of the heat accumulator 25 is heated by the exhaust gas flowing through the high-temperature heat exchanger 26 to increase the temperature. . On the other hand, the temperature of the cooling water of the internal combustion engine 1 is substantially the atmospheric temperature immediately after the cold start of the internal combustion engine 1 and is approximately 80 to 90 ° C. after the warm-up is completed. Is cooled by cooling water flowing through the low-temperature heat exchanger 27. As a result, a large temperature gradient is formed between both ends of the heat accumulator 25, and as a result, thermoacoustic self-excited vibration (sound wave) of the working fluid is generated.

このようにして発生する作動流体の自励振動(音波)の周波数と共鳴部23における周波数とが一致することにより、共鳴部23内には定在波が形成され、ループ部22内には、低温熱交換器27から高温熱交換器26へと進行する進行波が形成される。そして、蓄熱器25の両端部間に形成される温度勾配に起因してつくり出された進行波により、ループ部22の蓄冷器250の両端部間には、蓄冷用高温熱交換器260側が高温となり、蓄冷用低温熱交換器270側が低温となるように温度勾配が形成される。   When the frequency of the self-excited vibration (sound wave) of the working fluid thus generated matches the frequency in the resonance part 23, a standing wave is formed in the resonance part 23, and in the loop part 22, A traveling wave traveling from the low temperature heat exchanger 27 to the high temperature heat exchanger 26 is formed. Then, due to the traveling wave generated due to the temperature gradient formed between both ends of the regenerator 25, the high temperature heat exchanger 260 for regenerator has a high temperature between both ends of the regenerator 250 of the loop portion 22. Thus, a temperature gradient is formed so that the cold storage low-temperature heat exchanger 270 side has a low temperature.

この際、蓄冷器250の一端部は、蓄冷用高温熱交換器260により概ね常温(20〜25℃)に維持されることから、蓄冷器250の他端部および蓄冷用低温熱交換器270(その伝熱管)は、上記温度勾配に応じて降温する。この結果、蓄冷器250、蓄冷用高温熱交換器260および蓄冷用低温熱交換器270のユニットは、熱音響冷凍機として作動することになり、蓄冷用低温熱交換器270から流出する冷媒を介して冷熱を取り出すことが可能となる。   At this time, one end of the regenerator 250 is maintained at a substantially normal temperature (20 to 25 ° C.) by the regenerative high-temperature heat exchanger 260, so the other end of the regenerator 250 and the regenerative low-temperature heat exchanger 270 ( The heat transfer tube) drops in accordance with the temperature gradient. As a result, the units of the regenerator 250, the regenerator high-temperature heat exchanger 260, and the regenerator low-temperature heat exchanger 270 operate as a thermoacoustic refrigerator, and the refrigerant flows out of the regenerator low-temperature heat exchanger 270. It becomes possible to take out cold heat.

上述のように、熱音響エンジン20によれば、内燃機関1の余剰エネルギ(排気ガスの熱エネルギ)を利用して蓄熱器25の両端部管に温度勾配を形成することにより作動流体の自励振動を発生させ、かかる振動のエネルギ(音響エネルギ)を熱エネルギ(冷熱)に変換することができる。しかしながら、内燃機関1の運転状態によっては、冷却系統L3を流通する冷却水の温度が過剰に高まってしまうことがある。このような場合、特に比較的排気温度が低い高熱効率エンジンでは、蓄熱器25の両端部間に充分に大きな温度勾配を形成することができなくなり、作動流体の自励振動(音波)を発生させることが困難となってしまうおそれもある。   As described above, according to the thermoacoustic engine 20, the self-excitation of the working fluid is performed by forming a temperature gradient in the both end pipes of the heat accumulator 25 using the surplus energy (heat energy of the exhaust gas) of the internal combustion engine 1. Vibration can be generated and the energy (acoustic energy) of the vibration can be converted into heat energy (cold heat). However, depending on the operating state of the internal combustion engine 1, the temperature of the cooling water flowing through the cooling system L3 may increase excessively. In such a case, particularly in a high thermal efficiency engine having a relatively low exhaust temperature, a sufficiently large temperature gradient cannot be formed between both ends of the heat accumulator 25, and self-excited vibration (sound wave) of the working fluid is generated. It may be difficult to do so.

このため、本実施形態では、蓄熱器25の両端部間に大きな温度勾配を常時形成して、作動流体の熱音響自励振動を確実に発生させるために、ECU40によって図2に示される冷媒供給制御ルーチンが所定時間おきに繰り返し実行される。すなわち、ECU40は、冷媒供給制御ルーチンの実行タイミングになると、まず、水温センサTからの信号に基づいて、低温熱交換器27に供給される冷却水の温度を求める(S10)。   Therefore, in the present embodiment, the refrigerant supply shown in FIG. 2 is performed by the ECU 40 in order to always form a large temperature gradient between the both ends of the heat accumulator 25 and to surely generate the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid. The control routine is repeatedly executed every predetermined time. That is, at the execution timing of the refrigerant supply control routine, the ECU 40 first obtains the temperature of the cooling water supplied to the low-temperature heat exchanger 27 based on the signal from the water temperature sensor T (S10).

S10にて冷却水の温度を求めると、ECU40は、求めた冷却水の温度が予め定められている閾値T以上であるか否か判定する(S12)。閾値Tは、内燃機関1の運転中における蓄熱器25の両端部間の温度差(温度勾配)、すなわち、排気ガスの温度範囲や内燃機関1の周囲環境温度、更には、冷却水および空気の比熱等を踏まえて、蓄熱器25の両端部間に充分に大きな温度勾配を形成するための上限値として予め定められており(例えば60℃程度)、記憶装置に格納されている。 When determining the temperature of the cooling water at S10, ECU 40 determines whether the temperature of the coolant determined is the threshold value T 0 or more which is determined in advance (S12). The threshold T 0 is a temperature difference (temperature gradient) between both ends of the heat accumulator 25 during operation of the internal combustion engine 1, that is, a temperature range of the exhaust gas, an ambient environment temperature of the internal combustion engine 1, and cooling water and air. In consideration of the specific heat and the like, the upper limit value for forming a sufficiently large temperature gradient between both end portions of the regenerator 25 is determined in advance (for example, about 60 ° C.) and stored in the storage device.

S12にて冷却水の温度が上記閾値T以上であると判断した場合、ECU40は、低温熱交換器27の水冷熱交換部27wに対して設けられた冷却水流入弁31および冷却水流出弁32を閉鎖させると共に(S14)、冷却系統L3の冷却水ポンプ33を停止させる(S16)。そして、ECU40は、低温熱交換器27の空冷熱交換部27aに対して設けられた空気流入弁34および空気流出弁35を開放させると共に(S18)、空気系統L4のエアポンプ36を作動させる(S20)。これにより、低温熱交換器27には、それまで供給されていた冷却水に代わり、エアポンプ36によって周囲から取り入れられた空気が冷媒として供給されるようになる。 If the temperature of the cooling water is determined to be the threshold value T 0 or more at S12, ECU 40, the low temperature heat exchanger 27 cooling water is provided for water cooling heat exchange section 27w of the inlet valve 31 and the cooling water outlet valve 32 is closed (S14), and the cooling water pump 33 of the cooling system L3 is stopped (S16). Then, the ECU 40 opens the air inflow valve 34 and the air outflow valve 35 provided for the air cooling heat exchanging portion 27a of the low temperature heat exchanger 27 (S18), and operates the air pump 36 of the air system L4 (S20). ). Thereby, air taken in from the surroundings by the air pump 36 is supplied to the low-temperature heat exchanger 27 as a refrigerant instead of the cooling water that has been supplied.

一方、S12にて冷却水の温度が上記閾値Tを下回っていると判断した場合、ECU40は、低温熱交換器27の空冷熱交換部27aに対して設けられた空気流入弁34および空気流出弁35を閉鎖させる(閉鎖状態に維持する)と共に(S22)、空気系統L4のエアポンプ36を停止させる(停止状態に維持する)(S24)。そして、ECU40は、低温熱交換器27の水冷熱交換部27wに対して設けられた冷却水流入弁31および冷却水流出弁32を開放させる(開放状態に維持する)と共に(S26)、冷却系統L3の冷却水ポンプ33を作動させる(作動状態に維持する)(S28)。これにより、低温熱交換器27には、冷媒として冷却水が供給される(冷却水の供給が継続される)。 On the other hand, when the temperature of the cooling water is determined to be below the threshold value T 0 at S12, ECU 40 is provided with an air inlet valve 34 and the air outlet relative to the air-cooled heat exchanger portion 27a of the cold heat exchanger 27 The valve 35 is closed (maintained in the closed state) (S22), and the air pump 36 of the air system L4 is stopped (maintained in the stopped state) (S24). Then, the ECU 40 opens (maintains in the open state) the cooling water inflow valve 31 and the cooling water outflow valve 32 provided for the water cooling heat exchanging portion 27w of the low temperature heat exchanger 27 (S26), and the cooling system. The cooling water pump 33 of L3 is operated (maintained in the operating state) (S28). Thereby, cooling water is supplied to the low-temperature heat exchanger 27 as a refrigerant (the supply of cooling water is continued).

このように、熱音響エンジン20では、冷却系統L3を流通する冷却水の温度が上記閾値T以上であり、低温熱交換器27の冷媒として冷却水を用いても、蓄熱器25の両端部間の温度差が所定値を下回って蓄熱器25の両端部間に充分に大きな温度勾配を形成し得ないおそれがあると判断される場合には、低温熱交換器27に供給される冷媒が、内燃機関の冷却水から、冷却水よりも低温の空気へと切り換えられる。これにより、熱音響エンジン20では、蓄熱器25の両端部間に大きな温度勾配を常時形成することが可能となるので、作動流体の熱音響自励振動を確実に発生させて、常時所望の音響出力を得ることができる。 Thus, the thermoacoustic engine 20, the temperature of the cooling water flowing through the cooling system L3 is at the threshold value T 0 or more, even with a cooling water as a coolant for low temperature heat exchanger 27, both end portions of the heat accumulator 25 When it is determined that there is a possibility that a sufficiently large temperature gradient cannot be formed between both ends of the heat accumulator 25 because the temperature difference between them is below a predetermined value, the refrigerant supplied to the low-temperature heat exchanger 27 is The cooling water of the internal combustion engine is switched to air having a temperature lower than that of the cooling water. Thereby, in the thermoacoustic engine 20, since it becomes possible to always form a large temperature gradient between the both ends of the heat accumulator 25, the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid is surely generated, and the desired acoustics are always generated. Output can be obtained.

ところで、上述のように、冷却水の温度に基づいて(冷却水の温度を予め定められた閾値Tと比較することにより)、蓄熱器25の両端部間の温度差が所定値を下回っているか否かを実質的に判定することが可能となるが、高温熱交換器26と冷却水との温度差を用いても同様の判定を行うことができる。この場合、熱音響エンジン20には、水温センサTに加えて、高温熱交換器26の所定箇所(好ましくは、蓄熱器25を加熱する部位)の温度を検出する温度センサTh(図1参照)が備えられる。そして、ECU40は、水温センサTおよび温度センサThの検出値に基づいて高温熱交換器26と冷却水との温度差を求め、当該温度差が所定値を下回った際に、低温熱交換器27(空冷熱交換部27a)に空気が供給されるようにする。 By the way, as described above, based on the temperature of the cooling water (by comparing the temperature of the cooling water with a predetermined threshold value T 0 ), the temperature difference between both ends of the heat accumulator 25 falls below a predetermined value. It is possible to determine substantially whether or not the same, but the same determination can be made using the temperature difference between the high-temperature heat exchanger 26 and the cooling water. In this case, in addition to the water temperature sensor T, the thermoacoustic engine 20 includes a temperature sensor Th (see FIG. 1) that detects the temperature of a predetermined portion of the high-temperature heat exchanger 26 (preferably, a portion that heats the heat accumulator 25). Is provided. And ECU40 calculates | requires the temperature difference of the high temperature heat exchanger 26 and cooling water based on the detected value of the water temperature sensor T and the temperature sensor Th, and when the said temperature difference is less than predetermined value, the low temperature heat exchanger 27 is obtained. Air is supplied to the (air-cooling heat exchanger 27a).

このような構成を採用しても、蓄熱器25の両端部間に大きな温度勾配を常時形成することが可能となるので、作動流体の熱音響自励振動を確実に発生させて、常時所望の音響出力を得ることができる。なお、この場合、高温熱交換器26に温度センサThを設ける代わりに、触媒温度を検出する温度センサTcat(図1参照)を前段触媒装置12a等に設け、この温度センサTcatの検出値を高温熱交換器26の温度として代用してもよい。   Even if such a configuration is adopted, it is possible to always form a large temperature gradient between both ends of the heat accumulator 25, so that the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid can be reliably generated and always desired. Sound output can be obtained. In this case, instead of providing the high temperature heat exchanger 26 with the temperature sensor Th, a temperature sensor Tcat (see FIG. 1) for detecting the catalyst temperature is provided in the pre-catalyst device 12a and the detected value of the temperature sensor Tcat is increased. The temperature of the heat exchanger 26 may be substituted.

また、蓄熱器25の両端部間の温度差(温度勾配)との相関を求めておくことにより、低温熱交換器27と冷却水との温度差を用いても、蓄熱器25の両端部間に大きな温度勾配を形成し得るか否か判定することができる。この場合、熱音響エンジン20には、水温センサTに加えて、低温熱交換器27の所定箇所(好ましくは、蓄熱器25を冷却する部位)の温度を検出する温度センサTc(図1参照)が備えられる。そして、ECU40は、水温センサTおよび温度センサTcの検出値に基づいて低温熱交換器27と冷却水との温度差を求め、当該温度差が所定値を下回った際に、低温熱交換器27(空冷熱交換部27a)に空気が供給されるようにする。このような構成を採用しても、蓄熱器25の両端部間に大きな温度勾配を常時形成することが可能となるので、作動流体の熱音響自励振動を確実に発生させて、常時所望の音響出力を得ることができる。   Moreover, by calculating | requiring the correlation with the temperature difference (temperature gradient) between the both ends of the heat storage 25, even if it uses the temperature difference of the low temperature heat exchanger 27 and cooling water, between the both ends of the heat storage 25 It can be determined whether a large temperature gradient can be formed. In this case, in addition to the water temperature sensor T, the thermoacoustic engine 20 includes a temperature sensor Tc (see FIG. 1) that detects the temperature of a predetermined portion of the low-temperature heat exchanger 27 (preferably, a portion that cools the regenerator 25). Is provided. And ECU40 calculates | requires the temperature difference of the low temperature heat exchanger 27 and cooling water based on the detected value of the water temperature sensor T and the temperature sensor Tc, and when the said temperature difference falls below a predetermined value, the low temperature heat exchanger 27 is obtained. Air is supplied to the (air-cooling heat exchanger 27a). Even if such a configuration is adopted, it is possible to always form a large temperature gradient between both ends of the heat accumulator 25, so that the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid can be reliably generated and always desired. Sound output can be obtained.

更に、高温熱交換器26と低温熱交換器27との温度差に基づいて、蓄熱器25の両端部間に大きな温度勾配を形成し得るか否か判定されてもよい。この場合、ECU40は、高温熱交換器26の所定箇所(好ましくは、蓄熱器25を加熱する部位)の温度を検出する温度センサThと、低温熱交換器27の所定箇所(好ましくは、蓄熱器25を冷却する部位)の温度を検出する温度センサTcとの検出値に基づいて高温熱交換器26と低温熱交換器27との温度差を求め、当該温度差が所定値を下回った際に、低温熱交換器27(空冷熱交換部27a)に空気が供給されるようにする。この場合も、高温熱交換器26に温度センサThを設ける代わりに、触媒温度を検出する温度センサTcat(図1参照)を前段触媒装置12a等に設け、この温度センサTcatの検出値を高温熱交換器26の温度として代用してもよい。   Furthermore, based on the temperature difference between the high temperature heat exchanger 26 and the low temperature heat exchanger 27, it may be determined whether or not a large temperature gradient can be formed between both ends of the heat accumulator 25. In this case, the ECU 40 detects the temperature of a predetermined location of the high temperature heat exchanger 26 (preferably a portion that heats the regenerator 25) and a predetermined location of the low temperature heat exchanger 27 (preferably a regenerator). When the temperature difference between the high temperature heat exchanger 26 and the low temperature heat exchanger 27 is less than a predetermined value, the temperature difference between the high temperature heat exchanger 26 and the low temperature heat exchanger 27 is obtained based on the detected value of the temperature sensor Tc that detects the temperature of the portion 25 that cools 25). Then, air is supplied to the low-temperature heat exchanger 27 (air-cooled heat exchanger 27a). Also in this case, instead of providing the temperature sensor Th in the high-temperature heat exchanger 26, a temperature sensor Tcat (see FIG. 1) for detecting the catalyst temperature is provided in the pre-stage catalyst device 12a or the like, and the detected value of the temperature sensor Tcat is used as the high-temperature heat. The temperature of the exchanger 26 may be substituted.

なお、低温熱交換器27の冷媒として冷却水と空気とを切り換える上述の各制御は、内燃機関1の暖機完了後に実行される。すなわち、内燃機関1の排気ガスが充分に昇温していない場合、蓄熱器25の両端部間に大きな温度勾配が形成されないため、作動流体の熱音響自励振動が発生しないことがある。従って、このような場合には、熱音響エンジン20の作動を停止させることが望ましく、例えば排気供給調整弁15を閉鎖することによって熱音響エンジン20の作動を停止させる。これにより、排気ガスは、その熱エネルギが回収されることなく後段触媒装置12bに供給されるので、後段触媒装置12bの早期活性化を図ることが可能となる。   The above-described controls for switching between cooling water and air as the refrigerant of the low-temperature heat exchanger 27 are executed after the warm-up of the internal combustion engine 1 is completed. That is, when the exhaust gas of the internal combustion engine 1 is not sufficiently heated, a large temperature gradient is not formed between both end portions of the heat accumulator 25, so that thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid may not occur. Therefore, in such a case, it is desirable to stop the operation of the thermoacoustic engine 20, and for example, the operation of the thermoacoustic engine 20 is stopped by closing the exhaust supply regulating valve 15. As a result, the exhaust gas is supplied to the post-catalyst device 12b without recovering its thermal energy, so that the post-catalyst device 12b can be activated at an early stage.

本発明による熱音響エンジンを示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the thermoacoustic engine by this invention. 図1に示される熱音響エンジンにおける冷媒供給制御ルーチンを説明するためのフローチャートである。3 is a flowchart for explaining a refrigerant supply control routine in the thermoacoustic engine shown in FIG. 1.

符号の説明Explanation of symbols

1 内燃機関
12a 前段触媒装置
12b 後段触媒装置
15 排気供給調整弁
20 熱音響エンジン
21 気柱管
22 ループ部
23 共鳴部
23a 管部
23b 閉鎖端部
25 蓄熱器
26 高温熱交換器
27 低温熱交換器
27a 空冷熱交換部
27w 水冷熱交換部
31 冷却水流入弁
32 冷却水流出弁
33 冷却水ポンプ
34 空気流入弁
35 空気流出弁
36 エアポンプ
250 蓄冷器
260 蓄冷用高温熱交換器
270 蓄冷用低温熱交換器
L2 排気管
L3 冷却系統
L4 空気系統
T 水温センサ
Tc,Th,Tcat 温度センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Internal combustion engine 12a Front stage catalyst apparatus 12b Rear stage catalyst apparatus 15 Exhaust supply adjustment valve 20 Thermoacoustic engine 21 Air column pipe 22 Loop part 23 Resonance part 23a Pipe part 23b Closed end part 25 Regenerator 26 High temperature heat exchanger 27 Low temperature heat exchanger 27a Air cooling heat exchanging part 27w Water cooling heat exchanging part 31 Cooling water inflow valve 32 Cooling water outflow valve 33 Cooling water pump 34 Air inflow valve 35 Air outflow valve 36 Air pump 250 Regenerator 260 Cold storage high temperature heat exchanger 270 Cold storage low temperature heat exchange L2 Exhaust pipe L3 Cooling system L4 Air system T Water temperature sensor Tc, Th, Tcat Temperature sensor

Claims (5)

作動流体が封入される気柱管と、この気柱管の内部に配置された蓄熱手段とを有し、内燃機関の余剰エネルギを利用して前記蓄熱手段の両端部間に温度勾配を形成し、前記作動流体の熱音響自励振動を発生させる熱音響エンジンにおいて、
前記内燃機関の排気ガスを熱源として前記蓄熱手段の一端部を加熱する高温熱交換器と、
前記内燃機関の冷却水と空気とを冷媒として選択的に供給可能に構成されており、前記冷却水または空気により前記蓄熱手段の他端部を冷却する低温熱交換器と、
前記蓄熱手段の両端部間の温度差が所定値を下回った際に、前記低温熱交換器に空気が供給されるようにする制御手段とを備えることを特徴とする熱音響エンジン。
It has an air column tube in which a working fluid is sealed, and heat storage means arranged inside the air column tube, and forms a temperature gradient between both ends of the heat storage unit by using surplus energy of the internal combustion engine. In the thermoacoustic engine for generating the thermoacoustic self-excited vibration of the working fluid,
A high-temperature heat exchanger that heats one end of the heat storage means using the exhaust gas of the internal combustion engine as a heat source;
A low-temperature heat exchanger configured to selectively supply cooling water and air of the internal combustion engine as a refrigerant, and cooling the other end of the heat storage means with the cooling water or air;
A thermoacoustic engine comprising: control means for supplying air to the low-temperature heat exchanger when a temperature difference between both ends of the heat storage means falls below a predetermined value.
前記制御手段は、前記冷却水の温度が所定値を上回った際に、前記低温熱交換器に空気が供給されるようにすることを特徴とする請求項1に記載の熱音響エンジン。   2. The thermoacoustic engine according to claim 1, wherein air is supplied to the low-temperature heat exchanger when the temperature of the cooling water exceeds a predetermined value. 前記制御手段は、前記高温熱交換器と前記冷却水との温度差が所定値を下回った際に、前記低温熱交換器に空気が供給されるようにすることを特徴とする請求項1に記載の熱音響エンジン。   2. The control unit according to claim 1, wherein when the temperature difference between the high temperature heat exchanger and the cooling water falls below a predetermined value, air is supplied to the low temperature heat exchanger. The described thermoacoustic engine. 前記制御手段は、前記低温熱交換器と前記冷却水との温度差が所定値を下回った際に、前記低温熱交換器に空気が供給されるようにすることを特徴とする請求項1に記載の熱音響エンジン。   2. The control unit according to claim 1, wherein air is supplied to the low-temperature heat exchanger when a temperature difference between the low-temperature heat exchanger and the cooling water falls below a predetermined value. The described thermoacoustic engine. 前記制御手段は、前記高温熱交換器と前記低温熱交換器との温度差が所定値を下回った際に、前記低温熱交換器に空気が供給されるようにすることを特徴とする請求項1に記載の熱音響エンジン。
The control means is configured to supply air to the low-temperature heat exchanger when a temperature difference between the high-temperature heat exchanger and the low-temperature heat exchanger falls below a predetermined value. The thermoacoustic engine according to 1.
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