JP6298335B2

JP6298335B2 - 内燃機関

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Publication number: JP6298335B2
Application number: JP2014063748A
Authority: JP
Inventors: 中村　正明; 正明中村; 卓俊古川; 耕一町田
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2014-03-26
Filing date: 2014-03-26
Publication date: 2018-03-20
Anticipated expiration: 2034-03-26
Also published as: JP2015183676A

Description

本発明は、熱音響機関を具備する内燃機関に関する。

従来の内燃機関として、例えば特許文献１に記載されているように、熱音響現象を利用して冷却を行う熱音響機関を備えたものが知られている。この特許文献１に記載された内燃機関では、排気ガスを熱源としてループ管内に温度勾配を形成することにより、ループ管内で自励振動を起こして音響を発生させ、これにより、ＥＧＲガスを冷却することが図られている。

特開２０１２−６７６５６号公報

ここで、近年の内燃機関としては、例えば益々の燃費向上や排気ガス性能向上の要求が高まる中、排気ガスを利用して冷却できるものが要求される場合がある。この点、上記従来の内燃機関では、前述のように、熱音響機関によって排気ガスを熱源として冷却することが図られているものの、未だ改善の余地がある。

そこで、本発明の内燃機関は、排気ガスを利用して冷却を行うことができる内燃機関を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る内燃機関は、熱音響現象を利用して冷却を行う熱音響機関を具備する内燃機関であって、熱音響機関は、一端側から排気ガスのパルス波が入力されると共に、他端側が閉塞された共鳴管と、共鳴管内に配設されたスタックと、スタックにおける一方側に設けられ、吸熱して吸気ガス及びＥＧＲガスの少なくとも一方を冷却する冷却用熱交換器と、スタックにおける一方側と反対の他方側に設けられ、共鳴管外へ熱を放熱する放熱用熱交換器と、を備えたことを特徴とする。

この内燃機関では、排気ガスのパルス波を入力波として熱音響機関を作動させ、吸気ガス及びＥＧＲガスの少なくとも一方を冷却することができる。すなわち、排気ガスを利用して冷却を行うことができ、その結果、燃費向上や排気ガス性能向上に寄与することが可能となる。

また、共鳴管は、一端側を塞ぐように設けられたパルス伝達膜を有し、共鳴管内には、高圧ガスが充填されていることが好ましい。これにより、冷却能力（冷却出力）を高めることができると共に、共鳴管内に排気ガスが流入しないように構成できることから、当該共鳴管内にすすが滞留するのを抑制することが可能となる。

また、内燃機関は、複数の気筒のそれぞれに対応して複数の熱音響機関を具備しており、共鳴管は、一の気筒における排気ガスのパルス波が入力され、冷却用熱交換器は、当該一の気筒の吸気ガスを冷却することが好ましい。この場合、一の気筒における排気ガスのパルス波が、他の気筒における排気ガスのパルス波と合わさることなく直接的に共鳴管に入力される。よって、熱音響機関に入力される波動エネルギを高めることができ、冷却能力を高めることが可能となる。

また、共鳴管は、複数の気筒における排気ガスのパルス波が入力され、冷却用熱交換器は、当該複数の気筒の吸気ガスを冷却することが好ましい。この場合、複数の気筒に対して一の熱音響機関が対応することになり、構成を簡易化することが可能となる。

また、冷却用熱交換器は、ＥＧＲクーラで冷却される前のＥＧＲガスを冷却することが好ましい。この場合、熱音響機関を利用してＥＧＲガスを好適に冷却することができる。

また、上記作用効果を好適に奏する構成として、具体的には、共鳴管の管長は、内燃機関が基準回転数のときに共鳴管内において伝播する音波が共鳴する所定長とされている構成が挙げられる。

本発明によれば、排気ガスを利用して冷却を行うことが可能となる。

第１実施形態に係る内燃機関を示す概略平面図である。図１のII−II線に沿う断面図に対応する概略模式図である。図１の内燃機関における熱音響機関を説明するための図である。第２実施形態に係る内燃機関を示す概略平面図である。図４のＶ−Ｖ線に沿う断面図に対応する概略模式図である。第３実施形態に係る内燃機関を示す概略平面図である。図６のVII−VII線に沿う断面図に対応する概略模式図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

［第１実施形態］
図１は第１実施形態に係る内燃機関を示す概略平面図であり、図２は図１のII−II線に沿う断面図に対応する概略模式図であり、図３は図１の内燃機関における熱音響機関を説明するための図である。図１，２に示すように、本実施形態の内燃機関１００は、例えば車両に搭載されるものであり、１又は複数の気筒２（図示する例では、４気筒）を有する４サイクルディーゼルエンジンとされている。適用される車両としては、限定されるものではなく、例えばトラック、バスもしくは重機等の大型車両や中型車両、普通乗用車、小型車両又は軽車両等が挙げられる。

なお、内燃機関１００は、ディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジンであってもよいし、４サイクルエンジンに限定されず、２サイクルエンジンであってもよい。また、内燃機関１００は、ターボチャージャを備えた過給機付きエンジンであってもよいし、自然吸気エンジンであってもよい。

この内燃機関１００は、熱音響現象を利用して冷却を行う熱音響機関１０を備えている。熱音響機関１０は、複数の気筒２のそれぞれに対応して複数（図示する例では、４つ）設けられており、共鳴管１１と、スタック１２と、出力熱交換器（冷却用熱交換器）１３と、常温熱交換器（放熱用熱交換器）１４と、を含んで構成されている。

共鳴管１１は、その一端側から排気ガスのパルス波が入力されると共に、他端側が閉塞されたループ管であり、その管内にて音波を共鳴するようにして伝播させる。本実施形態の共鳴管１１は、具体的には、次のように構成されている。すなわち、共鳴管１１の一端側は、一の気筒２における排気ガスのパルス波のみが入力されるように構成され、ここでは、一の気筒２の排気ガス流路２ｅにおいて他の気筒２の排気ガスが合流する前（例えば、エキゾーストマニホールド３の排気ガス集合部の上流側）に接続されて連通されている。

そして、排気ガス流路２ｅに接続された共鳴管１１は、吸気側へ向けてシリンダヘッド４上を通って曲がるように延びた後、一の気筒２における吸気ガス流路２ｉのみ（例えば、インテークマニホールド５の吸気ガス分岐部の下流側）と交差するように延びた後、その管端である他端が閉じられて閉塞されている。

この共鳴管１１において排気ガス流路２ｅに連通する入口側である一端側には、当該一端側を塞ぐようにパルス伝達膜１５が設けられている。パルス伝達膜１５は、共鳴管１１の管内を封止すると共に、排気ガスのパルス波を共鳴管１１の管内に伝達する。

パルス伝達膜１５は、耐熱性を有しており、ここでは、排気ガスの温度（５００℃〜６００℃）に対する耐熱性を有している。さらに、パルス伝達膜１５は、耐圧性を有しており、ここでは、排気ガスの圧力に対する耐圧性を有している。パルス伝達膜１５としては、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等の金属で形成された薄膜であるダイヤフラムが用いられている。このパルス伝達膜１５で封止された共鳴管１１内には、作動流体としての高圧ガス１６が封入されて充填されている。高圧ガス１６としては、例えば、ヘリウムガスやアルゴンガス等が挙げられる。

また、共鳴管１１の管長は、内燃機関１００が基準回転数のときに伝播する音波が共鳴する所定長とされている。ここでの所定長は、内燃機関１００にて使用頻度が高いエンジン回転数（１０００ｒｐｍ等）のときに、共鳴管１１内で音波が共鳴して共鳴管１１の他端に音波の節が生じるように設定されている。

スタック１２は、共鳴管１１内において他端側に配設された蓄熱器である。スタック１２としては、メッシュ構造が複数積層されたメッシュ積層体、ハニカム構造体、又は、複数の小貫通孔を有する柱状体等が用いられ、例えばセラミックや金属で形成されている。このスタック１２では、共鳴管１１内にて音波が伝播されると、共鳴管１１の一端側である一方側が音波の疎部に対応して低温化すると共に、共鳴管１１の他端側である他方側が音波の密部に対応して高温化する（詳しくは後述）。

出力熱交換器１３は、一の気筒２に流入する吸気ガスを冷却するものであり、共鳴管１１においてスタック１２よりも一端側で且つ吸気ガス流路２ｉとの交差部分に設けられている。この出力熱交換器１３は、スタック１２の一方側に熱的に接続されていると共に、その冷却側が一の気筒２における吸気ガス流路２ｉに熱交換可能に露出している。これにより、出力熱交換器１３は、一の気筒２に流入する吸気ガスの熱をスタック１２へ移動（吸熱）させ、当該吸気ガスを冷却する。

常温熱交換器１４は、共鳴管１１外へ熱を放熱するものであり、共鳴管１１においてスタック１２よりも他端側に設けられている。この常温熱交換器１４は、空冷型とされており、スタック１２の他方側に熱的に接続されていると共に、その放熱側が外部雰囲気に露出されている。これにより、常温熱交換器１４は、スタック１２の熱を外部雰囲気へと移動させ、当該熱を共鳴管１１外へと放熱する。

このように構成された内燃機関１００では、熱音響機関１０において、次のように排気ガスのバルス波（音）が熱へエネルギ変換されて吸気ガスが冷却される。すなわち、気筒２から放出されるエンジン回転数と同期したパルス状の排気ガスの圧力変動（排気脈動）が、パルス波としてパルス伝達膜１５を介して共鳴管１１の一端側から入力される。これにより、高圧ガス１６が封入された共鳴管１１内では、排気ガスのパルス波の入力により波動が生じ、音波が伝播し共鳴する。

図３に示すように、共鳴管１１内を伝播する音波は、振動を伴う疎密波であって、疎部から密部へは断熱圧縮する一方、密部から疎部へは断熱膨張する。よって、この音波がスタック１２を通過すると、高圧となる密部ではスタック１２が熱くなり高温化する一方、低圧となる疎部ではスタック１２が冷たくなり低温化し、スタック１２に温度勾配（温度差）が形成される。

従って、本実施形態のスタック１２においては、高温化された他方側から熱が常温熱交換器１４を介して外部へ放熱され、これにより、一方側が外気温度以下まで低温化されると共に、この一方側に吸気ガスの熱が出力熱交換器１３を介して吸熱される。その結果、吸気ガスの熱が熱音響機関１０によって外部へ汲み出されるように輸送され、吸気ガスが冷却されることとなる。

以上、内燃機関１００では、排気ガスのパルス波を入力波として熱音響機関１０を作動させ、吸気ガスを冷却することができる。すなわち、排気ガスを利用して冷却を行うことができ、その結果、燃費向上、排気ガス性能向上及び耐久性に寄与することが可能となる。

また、内燃機関１００では、上述したように、共鳴管１１の一端側にパルス伝達膜１５が設けられ、共鳴管１１内には、高圧ガス１６が充填されている。これにより、冷却能力（冷却出力）を高めることができる。これと共に、共鳴管１１内に排気ガスが流入しないように構成できるため、共鳴管１１内にすすが滞留するのを抑制でき、ひいては、共鳴管１１の劣化を抑制可能となる。さらに、共鳴管１１内に排気ガスを流入させる場合に比べ、共鳴管１１内で乱流が形成されるのを抑制でき、音波（波動）を好適に生じさせることができる。

また、内燃機関１００は、上述したように、複数の気筒２のそれぞれに対応して複数の熱音響機関１０を具備しており、各共鳴管１１は、一の気筒２における排気ガスのパルス波が入力され、各出力熱交換器１３は、当該一の気筒２の吸気ガスを冷却する。つまり、各気筒２の排気ガスのパルス波のそれぞれを、各気筒２の吸気ガスのそれぞれに利用して冷却することができる。

これにより、一の気筒２における排気ガスのパルス波が、他の気筒２における排気ガスのパルス波と合わさることなく直接的に共鳴管１１に入力されることから、入力される波動エネルギを高めることができ、冷却能力を高めることが可能となる。また、複数の気筒２の何れかにおいて欠火等の異常燃焼が発生したとしても、各気筒２の冷却能力は各気筒２が排出する排気ガスの圧力脈動に依存するため、正常に燃焼している他の気筒２に悪影響が及ぶのを抑制することができる。さらにまた、複数の気筒２の何れかを気筒休止とする場合でも、効率を低下させることなく冷却能力を得ることができる。

また、上述したように、共鳴管１１の管長は、エンジン回転数が基準回転数のときに共鳴管１１内にて伝播する音波が共鳴する所定長とされている。よって、内燃機関１００では、共鳴管１１で音波を好適に生じさせることが可能となる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る内燃機関について説明する。なお、本実施形態の説明では、上記第１実施形態と異なる点について主に説明する。

図４は第２実施形態に係る内燃機関を示す概略平面図であり、図５は図４のＶ−Ｖ線に沿う断面図に対応する概略模式図である。図４，５に示すように、本実施形態の内燃機関２００が上記内燃機関１００と異なる点は、複数の気筒２に対して一の熱音響機関１０が対応するように設けられている点である。熱音響機関１０は、共鳴管１１（図２参照）に代えて共鳴管２１を備えると共に、出力熱交換器１３（図２参照）に代えて出力熱交換器２３を備えている。

共鳴管２１の一端側は、複数の気筒２における排気ガスのパルス波が入力されるように構成され、ここでは、エキゾーストマニホールド３の排気ガス集合部に接続されて連通されている。そして、共鳴管２１は、インテークマニホールド５の吸気ガス入口部と交差するように延びた後、他端が閉じられて閉塞されている。

出力熱交換器２３は、複数の気筒２に流入する吸気ガスを冷却するものである。出力熱交換器２３は、共鳴管１１においてインテークマニホールド５の吸気ガス入口部との交差部分に設けられており、その冷却側が当該インテークマニホールド５の吸気ガス入口部に熱交換可能に露出している。これにより、出力熱交換器２３は、複数の気筒２に流入する吸気ガスの熱をスタック１２へ移動させ、当該吸気ガスを冷却する。

以上、本実施形態の内燃機関２００においても、排気ガスのパルス波を入力波として熱音響機関１０を作動させ、吸気ガスを冷却することができ、その結果、燃費向上、排気ガス性能向上及び耐久性に寄与することが可能となる。

また、内燃機関２００の熱音響機関１０では、上述したように、複数の気筒２における排気ガスのパルス波を入力させ、複数の気筒２の吸気ガスをまとめて冷却することができ、これにより、構成を簡易化することが可能となる。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態に係る内燃機関について説明する。なお、本実施形態の説明では、上記第２実施形態と異なる点について主に説明する。

図６は第３実施形態に係る内燃機関を示す概略平面図であり、図７は図６のVII−VII線に沿う断面図に対応する概略模式図である。図６，７に示すように、本実施形態の内燃機関３００が上記内燃機関２００と異なる点は、排気ガスの少なくとも一部を吸気側へＥＧＲガスとして還流させるＥＧＲシステム６０を備えており、熱音響機関１０がＥＧＲガスを冷却するように設けられている点である。

ＥＧＲシステム６０は、ＥＧＲ配管６１及びＥＧＲクーラ６２を少なくとも有している。ＥＧＲ配管６１は、ＥＧＲガスが流通する配管であり、エキゾーストマニホールド３に接続されていると共に、インテークマニホールド５よりも上流側の吸気管７に接続されている。ＥＧＲクーラ６２は、ＥＧＲガスを冷却するものであり、ＥＧＲ配管６１に設けられている。なお、このＥＧＲシステム６０は、上記内燃機関１００，２００に具備されていても勿論よい。

本実施形態の熱音響機関１０は、共鳴管２１（図５参照）に代えて共鳴管３１を備えると共に、出力熱交換器２３（図５参照）に代えて出力熱交換器３３を備えている。共鳴管３１は、ＥＧＲ配管６１におけるＥＧＲクーラ６２の上流側と交差するように延びた後、他端が閉じられて閉塞されている。出力熱交換器３３は、ＥＧＲガスを冷却するものであり、共鳴管１１においてＥＧＲ配管６１のＥＧＲクーラ６２の上流側との交差部分に設けられ、その冷却側が当該ＥＧＲ配管６１のＥＧＲクーラ６２の上流側に熱交換可能に露出している。これにより、出力熱交換器３３は、ＥＧＲガスの熱をスタック１２へ移動させてＥＧＲガスを冷却する。

以上、本実施形態の内燃機関３００では、排気ガスのパルス波を入力波として熱音響機関１０を作動させ、ＥＧＲガスを冷却することができる。その結果、ＥＧＲクーラ６２を小型化することが可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用してもよい。

例えば、上記実施形態では、共鳴管１１，２１，３１にパルス伝達膜１５が設けられ、高圧ガス１６が充填されているが、これに限定されるものではない。共鳴管１１，２１，３１内に高圧ガス１６を充填しなくてもよいし、また、パルス伝達膜１５を設けずに共鳴管１１，２１，３１内を排気ガス又は外気で満たした構造としてもよい。パルス伝達膜１５を設けない場合、例えば、共鳴管１１，２１，３１に対して排気ガスが流入することによって排気ガスのパルス波が入力され、これにより、共鳴管１１，２１，３１内では、当該排気ガス自体で波動が生じる。

また、上記第１及び第２実施形態では、排気ガスを冷却したが、これに加えて、上記第３実施形態と同様にＥＧＲガスを冷却してもよい。また、上記第３実施形態では、ＥＧＲガスを冷却したが、これに加えて、上記第１又は第２実施形態と同様に吸気ガスを冷却してもよい。

１０…熱音響機関、１１，２１，３１…共鳴管、１２…スタック、１３，２３，３３…出力熱交換器（冷却用熱交換器）、１４…常温熱交換器（放熱用熱交換器）、１５…パルス伝達膜、１６…高圧ガス、６２…ＥＧＲクーラ、１００，２００，３００…内燃機関。

Claims

熱音響現象を利用して冷却を行う熱音響機関を具備する内燃機関であって、
前記熱音響機関は、
一端側から排気ガスのパルス波が入力されると共に、他端側が閉塞された共鳴管と、
前記共鳴管内に配設されたスタックと、
前記スタックにおける一方側に設けられ、吸熱して吸気ガス及びＥＧＲガスの少なくとも一方を冷却する冷却用熱交換器と、
前記スタックにおける前記一方側と反対の他方側に設けられ、前記共鳴管外へ熱を放熱する放熱用熱交換器と、を備え、
前記内燃機関は、複数の気筒のそれぞれに対応して複数の前記熱音響機関を具備しており、
前記共鳴管は、一の気筒における排気ガス流路において他の気筒の排気ガスが合流する前に接続されており、当該一の気筒における排気ガスのパルス波が入力されることを特徴とする内燃機関。
前記共鳴管は、前記一端側を塞ぐように設けられたパルス伝達膜を有し、
前記共鳴管内には、高圧ガスが充填されていることを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
前記冷却用熱交換器は、一の気筒の吸気ガスを冷却することを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関。
前記冷却用熱交換器は、複数の気筒の吸気ガスを冷却することを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関。
前記冷却用熱交換器は、ＥＧＲクーラで冷却される前の前記ＥＧＲガスを冷却することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項記載の内燃機関。
前記共鳴管の管長は、前記内燃機関が基準回転数のときに前記共鳴管内において伝播する音波が共鳴する所定長とされていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項記載の内燃機関。
前記放熱用熱交換器は、吸気ガスを冷却し、
複数の前記共鳴管のそれぞれは、複数の前記気筒それぞれの前記排気ガス流路におけるエキゾーストマニホールドの排気ガス集合部よりも上流側から、吸気側へ向けてシリンダヘッド上を通って曲がるように延びた後、インテークマニホールドの吸気ガス分岐部の下流側であって複数の前記気筒それぞれの吸気ガス流路と交差するように延びている、ことを特徴とする請求項１〜６の何れか一項記載の内燃機関。