JP2017115589A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】燃費を向上させることができる内燃機関を提供する。【解決手段】内燃機関１０は、シリンダブロック１１及びシリンダヘッド１２の少なくとも一方を冷却する冷却構造２０，３０を有する内燃機関において、冷却構造は、冷却水を用いずに、熱電変換材料２１，３１を用いて冷却する構造であることを特徴とする。本発明によれば、冷却水を圧送するウォーターポンプを廃止したり、ウォーターポンプの消費エネルギーを削減したりすることができ、燃費を向上させることができる。【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関に関する。

従来、内燃機関のシリンダブロック及びシリンダヘッドの冷却構造として、冷却水を用いてこれらの部材を冷却する冷却構造が知られている。例えば特許文献１には、シリンダブロックのシリンダの周囲に設けられた冷却水通路に冷却水を通過させることでシリンダブロックを冷却する冷却構造が開示されている。また、特許文献２には、シリンダヘッドに設けられた冷却水通路に冷却水を通過させることで、シリンダヘッドを冷却する冷却構造が開示されている。

また、従来、このようなシリンダブロック及びシリンダヘッドを冷却する冷却水は、内燃機関の動力によって駆動されるウォーターポンプによって圧送されて、シリンダブロック及びシリンダヘッドの冷却水通路を流動しながらシリンダブロック及びシリンダヘッドを冷却する。

また、特許文献１には、シリンダブロックのシリンダライナと冷却水通路との間に熱電変換材料を配置して、シリンダブロックの廃熱を熱電変換材料によって電気エネルギーに変換する技術が開示されている。また、特許文献２には、シリンダヘッドの燃焼室と冷却水通路との間に熱電変換材料を配置して、シリンダヘッドの廃熱を熱電変換材料によって電気エネルギーに変換する技術が開示されている。

特開２０１３−２３１４１１号公報 特開２００８−６９７７１号公報

上述した特許文献１や特許文献２の技術によれば、シリンダブロックやシリンダヘッドの廃熱を熱電変換材料によって電気エネルギーとして回収できるので、内燃機関の燃費をある程度向上させることは可能である。しかしながら、特許文献１や特許文献２の技術では、冷却水通路が必須の構成となっており、この冷却水通路の冷却水を圧送するウォーターポンプによって内燃機関の動力の一部が消費されることになる。この点において、特許文献１や特許文献２の技術では、内燃機関の燃費は十分良好であるとはいえない。

本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、燃費を向上させることができる内燃機関を提供することである。

上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、シリンダブロック及びシリンダヘッドの少なくとも一方を冷却する冷却構造を有する内燃機関において、前記冷却構造は、冷却水を用いずに、熱電変換材料を用いて冷却する構造であることを特徴とする。

本発明によれば、シリンダブロック及びシリンダヘッドの両方を冷却する冷却構造が、冷却水を用いずに熱電変換材料を用いて冷却する構造である場合には、シリンダブロック及びシリンダヘッドの両方の熱エネルギーを熱電変換材料によって電気エネルギーに変換
して利用することができる。これにより、燃費を向上させることができる。また、シリンダブロック及びシリンダヘッドの冷却用の冷却水を圧送するウォーターポンプを廃止することができる。これにより、内燃機関の動力がこのウォーターポンプによって消費されることがなくなるので、燃費を向上させることができる。

あるいは、シリンダブロック及びシリンダヘッドの一方にのみ上記冷却構造が用いられている場合においても、シリンダブロック及びシリンダヘッドの一方の熱エネルギーを電気エネルギーに変換して利用することができるので、燃費を向上させることができる。また、シリンダブロック及びシリンダヘッドの両方とも冷却水を用いて冷却する場合に比較して、ウォーターポンプの消費エネルギーを削減することができるので、燃費を向上させることができる。

上記構成において、前記冷却構造は、前記シリンダブロックのシリンダの周囲に前記熱電変換材料が配置された構造を含んでいてもよい。

上記構成において、前記冷却構造は、前記シリンダヘッドの吸気ポート及び排気ポートの周囲に前記熱電変換材料が配置された構造を含んでいてもよい。

本発明の内燃機関によれば、内燃機関の冷却に際して熱エネルギーを電気エネルギーとして利用できるとともに、内燃機関の冷却のためにシリンダヘッド及びシリンダブロックの一方又は両方に冷却水を送る必要がなくなるので、冷却水を圧送するウォーターポンプを廃止したり、ウォーターポンプの消費エネルギーを削減したりすることができ、内燃機関の燃費を向上させることができる。

実施形態に係る内燃機関を備える内燃機関システムの構成を模式的に示す概略図である。

以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関１０について図面を参照しつつ説明する。なお、図面に関しては、構成が分かり易いように実際の製品から寸法を変化させており、各部材、各部品の板厚や幅や長さなどの比率も必ずしも実際の製品の比率と一致しているとは限らない。

図１は、本実施形態に係る内燃機関１０を備える内燃機関システム１の構成を模式的に示す概略図である。内燃機関システム１は、内燃機関１０、インバーター４０、及びバッテリー５０を備えている。内燃機関１０は、シリンダブロック１１、シリンダヘッド１２、吸気弁１３、及び排気弁１４を備えている。なお、図１において内燃機関１０は断面図示されている。

内燃機関１０の種類は特に限定されるものではないが、本実施形態では一例としてディーゼル機関を用いる。また、内燃機関１０が搭載されている車両の種類は特に限定されるものではないが、本実施形態では一例として、バスやトラック等の大型車両を用いる。

シリンダブロック１１にはシリンダ１７（気筒）が形成されている。このシリンダ１７内には、ピストン（図示せず）が配置されており、このピストンはシリンダ１７内を上下方向に摺動する。また、シリンダ１７の内壁面にはシリンダライナ１８が配置されている。なお、シリンダライナ１８は本実施形態において必須の構成というわけではなく、例えば内燃機関１０はシリンダライナ１８を備えていない構成でもよい。

シリンダヘッド１２は、シリンダブロック１１の上部に配置されている。シリンダヘッド１２には、吸気が通過する吸気ポート１５と、排気が通過する排気ポート１６とが形成されている。吸気弁１３は吸気ポート１５の吸気流動方向で下流側端部を開閉する弁である。排気弁１４は排気ポート１６の排気流動方向で上流側端部を開閉する弁である。

なお、内燃機関１０の動作（具体的には燃料噴射時期、燃料噴射量等）は、制御装置としてのＥＣＵ（図示せず）が制御している。

また内燃機関１０は、シリンダブロック１１及びシリンダヘッド１２の少なくとも一方を冷却する冷却構造を有している。具体的には本実施形態に係る冷却構造は、シリンダブロック１１を冷却するブロック冷却構造２０と、シリンダヘッド１２を冷却するヘッド冷却構造３０とによって構成されている。すなわち、本実施形態に係る内燃機関１０は、冷却構造として、シリンダブロック１１及びシリンダヘッド１２の両方を冷却する冷却構造を有している。

ブロック冷却構造２０は、冷却水を用いずに、熱電変換材料２１を用いてシリンダブロック１１を冷却する構造である。具体的には本実施形態に係る熱電変換材料２１は、シリンダブロック１１のシリンダ１７の周囲に配置されている。より具体的には熱電変換材料２１は、シリンダブロック１１のシリンダ１７の周囲に円筒状に設けられた溝（上下方向に所定距離延在した円筒状の溝）に配置されている。そして熱電変換材料２１は、シリンダブロック１１の熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。これにより、シリンダブロック１１は、熱電変換材料２１によってその熱エネルギーを吸収されて冷却される。

なお、本実施形態に係るブロック冷却構造２０は、冷却水を用いてシリンダブロックを冷却する従来の内燃機関のシリンダブロックに設けられた冷却水通路（ウォータージャケット）に、冷却水の代わりに熱電変換材料２１を配置した構成となっている。但し、ブロック冷却構造２０は、これに限定されるものではなく、従来のシリンダブロックに設けられた冷却水通路とは異なる態様で、熱電変換材料２１をシリンダブロック１１に配置してもよい。

ヘッド冷却構造３０は、冷却水を用いずに、熱電変換材料３１を用いてシリンダヘッド１２を冷却する構造である。具体的には本実施形態に係る熱電変換材料３１は、シリンダヘッド１２の吸気ポート１５及び排気ポート１６の周囲に配置されている。より具体的には熱電変換材料３１は、シリンダヘッド１２の吸気ポート１５及び排気ポート１６の所定部位の周囲に円筒状に設けられた孔に配置されている。そして熱電変換材料３１は、シリンダヘッド１２の熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。これにより、シリンダヘッド１２は、熱電変換材料３１によってその熱エネルギーを吸収されて冷却される。

なお、本実施形態に係るヘッド冷却構造３０は、冷却水を用いてシリンダヘッドを冷却する従来の内燃機関のシリンダヘッドに設けられた冷却水通路（ウォータージャケット）に、冷却水の代わりに熱電変換材料３１を配置した構成となっている。但し、ヘッド冷却構造３０は、これに限定されるものではなく、従来のシリンダヘッドに設けられた冷却水通路とは異なる態様で、熱電変換材料３１をシリンダヘッド１２に配置してもよい。

熱電変換材料２１及び熱電変換材料３１の具体的な材質としては、熱エネルギーを電気エネルギーに変換できるものであれば特に限定されるものではない。本実施形態においては、熱電変換材料２１，３１として、ゼーベック効果（物体の温度差が電圧に変換される現象）を利用して、熱エネルギーを電気エネルギーに変換可能な金属系素材または有機系素材の熱電変換材料を用いている。なお、この金属系素材の熱電変換材料の一例を挙げる
と、例えばＢｉ−Ｔｅ系（ビスマス−テルル系）、Ｐｂ−Ｔｅ系（鉛−テルル系）、Ｓｉ−Ｇｅ系（シリコン−ゲルマニウム系）等の熱電変換材料が挙げられる。

熱電変換材料２１，３１は、インバーター４０を介してバッテリー５０と電気的に接続されている。これにより、熱電変換材料２１，３１が発生した電気はインバーター４０によって直流に変換された後に、バッテリー５０に充電される。そして、バッテリー５０の電力は補機等の電力として利用される。

以上説明した本実施形態に係る内燃機関１０によれば、ブロック冷却構造２０及びヘッド冷却構造３０の両方が、冷却水を用いずに熱電変換材料２１や熱電変換材料３１を用いて冷却する構造であるので、シリンダブロック１１及びシリンダヘッド１２の両方の熱エネルギーを熱電変換材料２１，３１によって電気エネルギーに変換して利用することができる。これにより、燃費を向上させることができる。また、冷却水を圧送するウォーターポンプを用いずに、シリンダブロック１１及びシリンダヘッド１２を冷却することができる。これにより、シリンダブロック１１及びシリンダヘッド１２の冷却用の冷却水を圧送するウォーターポンプを廃止することができるので、内燃機関１０の動力がウォーターポンプによって消費されることがなくなり、その結果、燃費を向上させることができる。

また、内燃機関１０によれば、ウォーターポンプを廃止することによって、車両の部品点数を削減することもできる。また、シリンダブロック１１及びシリンダヘッド１２の構造を、冷却水の流れを無視した構造にすることができるので、内燃機関１０の設計の自由度を向上させることができる。また、冷却水を冷却するラジエータ（これは車両のエンジンルームに搭載されている）を廃止または縮小することもできる。これにより、エンジンルーム内のレイアウトの自由度を向上させることができる。

（上記実施形態の変形例）
なお、内燃機関１０は、ブロック冷却構造２０及びヘッド冷却構造３０のいずれか一方のみを備えていてもよい。具体的には、この場合、内燃機関１０は、シリンダブロック１１及びシリンダヘッド１２のうち、いずれか一方のみを熱電変換材料によって冷却する構造とし、他方は冷却水によって冷却する構造としてもよい。

このように、シリンダブロック１１及びシリンダヘッド１２の一方にのみ、熱電変換材料を用いた冷却構造が用いられている場合においても、シリンダブロック１１及びシリンダヘッド１２の一方の熱エネルギーを電気エネルギーに変換して利用することができる。これにより、燃費を向上させることができる。また、シリンダブロック１１及びシリンダヘッド１２の両方とも冷却水を用いて冷却する冷却構造を用いる場合に比較して、ウォーターポンプの消費エネルギーを削減することができる。これにより、燃費を向上させることができる。

また、この場合においても、この熱電変換材料を用いた冷却構造を備えるシリンダブロック１１またはシリンダヘッド１２の構造を、冷却水の流れを無視した構造にすることができるので、内燃機関１０の設計の自由度を向上させることができる。また、冷却水を冷却するラジエータを縮小または廃止することもできるので、エンジンルーム内のレイアウトの自由度を向上させることができる。

以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１ 内燃機関システム
１０ 内燃機関
１１ シリンダブロック
１２ シリンダヘッド
２０ ブロック冷却構造
２１ 熱電変換材料
３０ ヘッド冷却構造
３１ 熱電変換材料

Claims (3)

1. シリンダブロック及びシリンダヘッドの少なくとも一方を冷却する冷却構造を有する内燃機関において、
   前記冷却構造は、冷却水を用いずに、熱電変換材料を用いて冷却する構造であることを特徴とする内燃機関。
2. 前記冷却構造は、前記シリンダブロックのシリンダの周囲に前記熱電変換材料が配置された構造を含む請求項１記載の内燃機関。
3. 前記冷却構造は、前記シリンダヘッドの吸気ポート及び排気ポートの周囲に前記熱電変換材料が配置された構造を含む請求項１または２に記載の内燃機関。

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