JP2012007476A

JP2012007476A - ディーゼルエンジン及びディーゼルエンジンのｅｇｒガスの冷却方法

Info

Publication number: JP2012007476A
Application number: JP2010141222A
Authority: JP
Inventors: Takashi Hara; 崇原
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-06-22
Filing date: 2010-06-22
Publication date: 2012-01-12

Abstract

【課題】ディーゼルエンジンのＥＧＲガスを効率良く冷却できると共に、ディーゼルエンジンの冷却負荷を軽減することができるディ―ゼルエンジン及びディーゼルエンジンのＥＧＲガスの冷却方法を提供する。
【解決手段】加熱器２３と冷却器２４と再生器２２と共鳴管２１と作動流体Ｇを備えた熱音響機関２０と、ＥＧＲガスＧｅを前記加熱器２３に導いて冷却するＥＧＲガス冷却機構を備えたディーゼルエンジンにおいて、前記共鳴管２１内の音波エネルギーを散逸させるための消音機構１２を、前記共鳴管２１に設けるか、又は前記共鳴管２１に接続して設けて構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱音響機関を用いて効率良くＥＧＲガスを冷却するディーゼルエンジン及びディーゼルエンジンのＥＧＲガスの冷却方法に関する。

一般的なディーゼルエンジンでは、排気ガスの一部であるＥＧＲガスを排気マニホールドから取り込んでシリンダ内に再循環するＥＧＲシステムを搭載している。この排気マニホールドから取り込まれるＥＧＲガスの温度は高く、このＥＧＲガスを多量に循環して新気と混合させるためにはＥＧＲガスを冷却する必要がある。そのため、ＥＧＲガスは、排気通路又は排気マニホールドと吸気通路との間を接続するＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲクーラを通過する際に冷却され、新気と混合されてエンジンのシリンダ内へと吸入される。このＥＧＲクーラは冷却水により冷却され、この冷却水はラジエータに循環される。このラジエータにクーリングファン（ラジエータファン）等を用いて送風して冷却水から熱を奪うことで、ＥＧＲガスから受け取った熱を大気中に放熱している。

このＥＧＲガスの冷却の際に、ＥＧＲガスからＥＧＲクーラに移動する熱量が多いためにラジエータにおける冷却の負荷が大きくなる。その結果、ラジエータ冷却用のクーリングファンを駆動するための電気量が大きくなる。この電気量を得るための仕事をディーゼルエンジンで行う必要があるので、エンジンの燃費が悪化するという問題がある。

一方、熱音響現象を利用する熱音響機関というものがあり、最近その研究及び開発が進展してきている。この熱音響機関は、温度勾配のある細管流路内の振動流体が圧縮、膨張、加熱、冷却という熱力学的プロセスを実行する熱音響現象を利用するものであり、図５に示すように、ループ管等の共鳴管２１、細管流路の集合体である再生器２２、この再生器の両端にそれぞれ配置される加熱器２３と冷却器２４の一対の熱交換器、及び、空気や窒素やヘリウム等の作動流体Ｇだけで構成されており、著しく簡単な構造で熱と音波との間のエネルギー変換を行うことができる。

また、各種の騒音対策として、音波エネルギーを散逸させる消音器や吸音器が用いられており、吸音材内張りダクト、スプリッター及びセル型消音器、変形スプリッター形消音器、消音エルボ、共鳴器形消音器、空洞形消音器、消音チャンバー等が周知技術として知られており、内燃機関においても、吸気騒音や排気騒音を低減するために、各種の消音器及び吸音器が提案されている（例えば、特許文献１〜６参照。）。

特開平５−２５７４８２号公報特開平９−１４４９８６号公報特開２００５−２２０８７１号公報特開２００７−２０５３２７号公報特開２００９−３６１８５号公報特開２００９−２３６０４０号公報

本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、ディーゼルエンジンのＥＧＲガスを効率良く冷却できると共に、ディーゼルエンジンの冷却負荷を軽減することができるディ―ゼルエンジン及びディーゼルエンジンのＥＧＲガスの冷却方法を提供することにある。

上記のような目的を達成するための本発明のディーゼルエンジンは、加熱器と冷却器と再生器と共鳴管と作動流体を備えた熱音響機関と、ＥＧＲガスを前記加熱器に導いて冷却するＥＧＲガス冷却機構とを備えたディーゼルエンジンにおいて、前記共鳴管内の音波エネルギーを散逸させるための消音機構を、前記熱音響機関の前記共鳴管に設けるか、又は前記共鳴管に接続して設けるかして構成される。なお、ここでの消音機構は消音を行うものも吸音を行うものも含む。

この構成によれば、熱音響機関をＥＧＲガスの冷却に用いて、熱エネルギーから変換した自励振動の力学的な音波エネルギーを消音機構で散逸させるので、冷却器における冷却負荷がこの消音機構で散逸される音波エネルギー分だけ小さくなる。その結果、冷却器の容量、又は、冷却器から熱を奪った熱媒体を更に冷却する冷却装置（例えば、ラジエータ等）の容量を小さくすることができ、ディーゼルエンジンの冷却システムを小さくすることができる。

特に、ディーゼルエンジンにおけるＥＧＲガスの取り出しは、多くの場合、排気マニホールドから取り出すため、ＥＧＲガスの温度は高くなるので、また、ディーゼルエンジンではガソリンエンジンに比べてＥＧＲガスの作動流量および作動領域がはるかに大きく、熱音響機関を効率良く作動させることができるので、熱音響機関と消音機構を効率的に用いて、ＥＧＲガスの放熱において大きな効果を得ることができる。

なお、消音機構で散逸される音波エネルギーは多くの場合は熱エネルギーに変換されることが多いが、この熱エネルギーの散逸は消音機構で発生するので、消音機構を共鳴器に設ける場合は、消音機構の外部に露出した表面で熱放射や外気への対流や他の部分への伝熱等の放熱により散逸することができ、また、消音機構を共鳴器に接続する場合は、接続に用いる配管により消音機構を冷却器から離れた位置に配置して、そこで熱エネルギーの散逸を行うことができるので、ＥＧＲガスの冷却機構や熱音響機関の冷却器とは別に放熱することになる。

また、上記のディーゼルエンジンにおいて、前記消音機構に放熱機構を設けて構成すると、音波エネルギーの散逸に伴う熱を効率良く放熱できるようになり、消音機構の温度上昇を防止できる。

上記のような目的を達成するための本発明のディーゼルエンジンのＥＧＲガスの冷却方法は、加熱器と冷却器と再生器と共鳴管と作動流体を備えた熱音響機関と、ＥＧＲガスを前記加熱器に導いて冷却するＥＧＲガス冷却機構とを備えたディーゼルエンジンのＥＧＲガスの冷却方法おいて、ディーゼルエンジンのＥＧＲガスを前記加熱器に導いて冷却し、前記冷却器でＥＧＲガスから受けた熱を前記熱音響機関の系外に放出すると共に、前記共鳴管に設けた消音機構で、又は、前記共鳴管に接続して設けた消音機構で、前記共鳴管内の音波エネルギーを散逸させる方法である。

この方法によれば、熱音響機関を用いて、ＥＧＲガスの熱を音波エネルギーに変換して消音機構で散逸するので、冷却器側の冷却負荷をこの散逸される音波エネルギー分だけ小さくすることができる。従って、熱音響機関の冷却器の容量、及び、この冷却器から熱を奪った熱媒体を更に冷却するためのラジエータ等の冷却装置の容量を小さくすることができ、ディーゼルエンジンの冷却システムを小さくすることができる。

本発明に係るディーセルエンジン及びディーゼルエンジンのＥＧＲガスの冷却方法によれば、ＥＧＲガスの熱を熱音響機関の加熱器に与えることで、熱エネルギーを音波（振動）エネルギーに変換し、この音波エネルギーを消音機構で散逸できるので、ＥＧＲガスの熱を効率的に吸熱することが可能になる。

また音波エネルギーに変換した分だけ、ディーゼルエンジンの冷却システムにおける冷却負荷を軽減できる。この冷却負荷の軽減により、熱音響機関の冷却器の容量、及び、この冷却器から熱を奪った熱媒体を更に冷却するための冷却装置の容量を小さくすることができ、冷却システムを小さくすることができる。

本発明に係る第１の実施の形態のディーゼルエンジンのＥＧＲガスの冷却システムの構成を示す図である。本発明に係る第１の実施の形態のディーゼルエンジンのＥＧＲガスの冷却システムの他の構成を示す図である。本発明に係る第２の実施の形態のディーゼルエンジンのＥＧＲガスの冷却システムの構成を示す図である。本発明に係る第２の実施の形態のディーゼルエンジンのＥＧＲガスの冷却システムの他の構成を示す図である。熱音響機関の構成を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態のディーゼルエンジン及びディーゼルエンジンのＥＧＲガスの冷却方法について、図面を参照しながら説明する。

第１の実施の形態のディーゼルエンジンでは、図１及び図２に示すように、ＥＧＲガスＧｅの冷却システムにおいて、ディーゼルエンジンのＥＧＲガスＧｅを冷却するための熱音響機関（熱音響エンジン）２０が設けられる。この熱音響機関２０は、共鳴管としてのループ管２１、再生器２２、この再生器２２の両端にそれぞれ配置される加熱器２３と冷却器２４、及び、空気や窒素やヘリウムやアルゴン等の作動流体Ｇとから構成され、著しく簡単な構造で熱音響現象で熱と音波との間のエネルギー変換を行う。

ループ管２１の内部は作動流体Ｇにより満たされており、このループ管２１の長さ及び径は封入されたガス状の作動流体Ｇの自励振動に共振するように決められる。また、再生器２２は、細管流路の集合体で形成されている。加熱器２３は熱音響機関２０の外部から熱を受け取って作動流体Ｇを加熱するための熱交換器として構成され、冷却器２４は熱音響機関２０の外部へ熱を放出して作動流体Ｇを冷却するための熱交換器として構成される。

この熱音響機関２０では、再生器２２の細管流路内の気柱を加熱器２３で局部的に加熱、又は、冷却器２４で局部的に冷却して、再生器２２内の気柱に温度勾配を発生させると、気柱が自励振動を起こすという熱音響現象により、熱エネルギーの一部が力学的な音波（振動）エネルギーに変換される。つまり、再生器２２の細管流路内の作動流体Ｇが加熱器２３による加熱と冷却器２４による冷却、及び、膨張と圧縮の自励振動といった熱力学的過程を経験することで、スターリングサイクルと呼ばれる熱力学的サイクルを繰り返し、熱エネルギーが音波エネルギーに変換される。この音波エネルギーはループ管２１で共鳴して、定在波としてループ管２１内に蓄えられる。

また、ＥＧＲガスＧｅを加熱器２３に導いて冷却するＥＧＲガス冷却機構として、ＥＧＲガス通路１１に、好ましくはより高温部に近い方の部分のＥＧＲガス通路１１に、ＥＧＲガスＧｅと作動流体Ｇの間で熱交換を行う加熱器２３が設けられ、ＥＧＲガスＧｅの熱で加熱器２３を加熱するように構成される。言い換えれば、加熱器２３でＥＧＲガスＧｅを冷却し、その一方で作動流体Ｇを加熱するように構成される。この構成により、ＥＧＲガスＧｅの熱エネルギーが熱音響機関２０の作動流体Ｇに伝達される。

また、熱音響機関２０の冷却器２４を冷却してＥＧＲガスＧｅから受けた熱を熱音響機関２０の系外に放出する冷却機構を備えて構成される。例えば、図１に示すように、この冷却器２４は作動流体Ｇと外気との間で熱交換する空冷の熱交換器で構成される。この熱交換器による冷却機構では、電動式の冷却ファン２４ａで冷却器２４に送風することで、この冷却器２４からの外気への放熱を促進し、これにより作動流体Ｇは冷却される。

あるいは、図２に示すように、この冷却器２４は、作動流体Ｇと冷却水（熱媒体）Ｗとの間で熱交換する水冷の熱交換器２５で構成される。この水冷の熱交換器２５では、冷却器２４の熱交換で温度上昇した冷却水Ｗは、循環経路２５ａを経由してラジエータ２５ｂに行き、この冷却水Ｗと外気との間での熱交換でする。この熱交換の際に、電動式の冷却ファン（クーリングファン）２５ｃによる送風で冷却を促進される。

本発明においては、熱音響機関２０のループ管２１内の音波エネルギーを散逸させる消音機構１２をループ管２１の一部に備えて構成される。この消音機構１２としては、吸気騒音や排気騒音等の各種の騒音対策として用いられていて周知技術となっている、ダクト内面にグラスウールやロックウールや連続気泡の合成樹脂材料等の吸音材料を内張りした吸音材内張りダクト、吸音材料をスプリッター及びセル形に組んでダクト内に取り付けたスプリッター及びセル型消音器、変形スプリッター形消音器、消音エルボ、ダクトの周囲に空洞を設けて孔をあけて共鳴器とした共鳴器形消音器、ダクトの一部の断面を拡大した空洞形消音器、空洞形消音器の拡大室部分を著しく大きくして内面に吸音材料を張付けた消音チャンバー等を用いることができる。

また、消音機構１２に、放熱機構１３を設けて、音波エネルギーの散逸で発生する熱エネルギーを、ＥＧＲガスＧｅから受けた熱を、冷却器２４に関係する熱音響機関２０の系外に放出する冷却機構とは別に、効率良く消音及び吸音機構１２から放熱するように構成する。

この放熱機構１３は、例えば、消音機構１２の熱を放熱面積の増加により放熱し易くする放熱用のフィンや凹凸板で形成したり、温度が低い部材（例えば、自動車のシャーシー等）への熱移動を可能にする熱伝導率の高い伝熱板で形成したりすることができる。この放熱機構１３は、要は、音波エネルギーの散逸で発生する熱エネルギーを継続的に又は断続的に消音機構１３の外部に放熱又は伝熱して、消音機構１２が消音機能や吸音機能に障害が生ずるような高温にならないようにすることができればよい。

次に、第２の実施の形態のディーゼルエンジンについて説明する。図３及び図４に示すように、第２の実施の形態は、熱音響機関２０のループ管２１内の音波エネルギーを散逸させる消音機構１２Ａをループ管２１に接続して設ける。この点が、第１の実施の形態と異なるだけで、その他の構成は第１の実施の形態と同じである。

この第２の実施の形態では、消音機構１２Ａは、接続配管１４によりループ管２１に接続されている。この接続配管１４の断面形状や大きさや長さを、ループ管２１に発生する音波の共振振動数に関連させて形成し、ループ管２１で発生する音波を効率よく消音機構１２Ａに導入できるように構成する。

この構成は、ループ管２１に、このループ管２１の音波に共鳴する配管を設けて、この配管に第１の実施の形態で用いた消音機構１２を取り付けてもよい。あるいは、サイドブランチタイプのヘルムホルツ共鳴器等を用いてもよい。

本発明に係るディーセルエンジン及びディーゼルエンジンのＥＧＲガスの冷却方法によれば、ＥＧＲガスＧｅの熱エネルギーを熱音響機関２０の加熱器２３に与えて、熱音響機関２０で、熱エネルギーを音波（振動）エネルギーに変換して、この音波エネルギーを消音機構１２で散逸できるので、熱音響機関２０ではＥＧＲガスＧｅの熱を効率的に吸熱することが可能となる。

また、消音機構１２で散逸させた音波エネルギーの分だけ、冷却器２４又は冷却器２４に循環され冷却水等の冷却媒体を冷却するラジエータ等における冷却負荷を低減できる。この冷却負荷の軽減により、熱音響機関２０の冷却器２４の容量、及び、この冷却器２４から熱を奪った熱媒体を更に冷却するための冷却装置の容量を小さくすることができ、冷却システムを小さくすることができる。

特に、ディーゼルエンジンにおけるＥＧＲガスＧｅの取り出しは、多くの場合、排気マニホールドから取り出すため、ＥＧＲガスＧｅの温度は高く、また、ＥＧＲガスＧｅの作動流量および作動領域がガソリンエンジンよりも大きいため、熱音響機関２０を効率良く作動させて、ＥＧＲガスＧｅの熱を効率良く冷却できる。

本発明のディーゼルエンジン及びディーゼルエンジンのＥＧＲガスの冷却方法は、熱音響機関の自励振動による音波エネルギーを消音機構で散逸して熱音響機関の冷却器における冷却負荷を低減できるのでＥＧＲガスの熱を効率的に吸熱でき、これにより、エンジンの冷却システムの冷却負荷を軽減できて燃費を向上できるという効果を奏することができるので、自動車搭載等のディーゼルエンジンに適用できる。

１１ＥＧＲガス通路
１２消音機構
１３放熱機構
１４接続配管
２０熱音響機関
２１ループ管
２２再生器
２３加熱器
２４冷却器
Ｇ作動流体
ＧｅＥＧＲガス
Ｗ冷却水

Claims

加熱器と冷却器と再生器と共鳴管と作動流体を備えた熱音響機関と、ＥＧＲガスを前記加熱器に導いて冷却するＥＧＲガス冷却機構とを備えたディーゼルエンジンにおいて、前記共鳴管内の音波エネルギーを散逸させるための消音機構を、前記熱音響機関の前記共鳴管に設けるか、又は前記共鳴管に接続して設けることを特徴とするディーゼルエンジン。
前記消音機構に放熱機構を設けたことを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン。
加熱器と冷却器と再生器と共鳴管と作動流体を備えた熱音響機関と、ＥＧＲガスを前記加熱器に導いて冷却するＥＧＲガス冷却機構とを備えたディーゼルエンジンのＥＧＲガスの冷却方法おいて、ディーゼルエンジンのＥＧＲガスを前記加熱器に導いて冷却し、前記冷却器でＥＧＲガスから受けた熱を前記熱音響機関の系外に放出すると共に、前記共鳴管に設けた消音機構で、又は、前記共鳴管に接続して設けた消音機構で、前記共鳴管内の音波エネルギーを散逸させることを特徴とするディーゼルエンジンのＥＧＲガスの冷却方法。