(57)【要約】【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て、燃費を向上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ガス冷却機構と、前記冷却器２４を冷却してＥＧＲガスＧｅから受けた熱を前記熱音響機関２０の系外に放出する放熱機構と、前記熱音響機関２０の作動流体Ｇの自励振動の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機構１２を備えると共に、前記発電機機構１２で発生した電気エネルギーを用いて前記熱音響機関２０の前記冷却器２４における熱の放出を直接的又は間接的に促進する冷却促進機構を備えて構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、前記冷却器を冷却して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放熱機構と、前記熱音響機関の作動流体の自励振動の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機構を備えると共に、前記発電機機構で発生した電気エネルギーを用いて前記熱音響機関の前記冷却器における熱の放出を直接的又は間接的に促進する冷却促進機構を備えたディーゼルエンジン。
【請求項２】
前記冷却促進機構において、前記熱音響機関の前記冷却器に送風する電動ファンを備え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。
【請求項３】
前記冷却促進機構において、前記冷却機構で前記熱音響機関の前記冷却器から熱を奪う熱媒体を冷却する部分に送風する電動ファンを備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のディーゼルエンジン。
【請求項４】
ディーゼルエンジンのＥＧＲガスを熱音響機関の加熱器に導いて冷却し、前記熱音響機関の冷却器でＥＧＲガスから受けた熱を該熱音響機関の系外に放出すると共に、前記熱音響機関に設けた発電機構で、前記熱音響機関の内部の作動流体の自励振動の振動エネルギーを電気エネルギーに変換し、この電気エネルギーを用いて前記熱音響機関の冷却器における熱の放出を直接的又は間接的に促進するディーゼルエンジンのＥＧＲガスの冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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冷却しなければならない。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。
【０００３】
このＥＧＲガスの冷却の際に、ＥＧＲガスからＥＧＲクーラにより持ち去られる熱量が多いためにラジエータにおける冷却の負荷も大きくなる。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。
【０００４】
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３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だけで構成される、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。この熱音響現象を用いた熱音響機関（熱音響エンジン）は、発電にも使用され始めている。
【０００５】
例えば、この熱音響現象を利用して発電をする熱音響発電機として、気体を充填したループ管に放熱部と加熱部で挟まれた蓄熱部を配設し、蓄熱部内に生じた温度勾配によって気体に圧力振動を生じさせ、ループ管に設けられた発電機で、圧力振動によって生じた進行波に応動させて発電をしている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
また、ループ管に充填されたヘリウムを冷却する放熱部及び同ヘリウムを加熱する加熱部に挟まれ、蓄熱材を用いて形成される再生器をループ管内に備え、ループ管内の一部に連通させた共鳴器に音響エネルギーを流入させて、この音響エネルギーによる圧力振動に基づいてピストンを往復振動させて電気エネルギーに変換するリニア発電機を備えて、熱音響発電機を形成することが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−３２４９３２号公報
【特許文献２】特開２００６−２１４４０６号公報（要約、段落〔００１７〕、〔００１８〕、図１６、図１７、及び、図１９）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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て、燃費を向上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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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、前記冷却器を冷却して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放熱機構と、前記熱音響機関の作動流体の自励振動の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機構を備えると共に、前記発電機機構で発生した電気エネルギーを用いて前記熱音響機関の前記冷却器における熱の放出を直接的又は間接的に促進する冷却促進機構を備えて構成される。
【００１０】
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振動（音波）エネルギーを発電機構で電気エネルギーに変換して回収するので、冷却器における冷却負荷はこの回収される電気エネルギー分だけ小さくなる。熱音響機関設けた発電機構で発電した電気エネルギーを用いて、熱音響機関の冷却器の冷却を促進するので、冷却器で熱交換される熱量を小さくすることできる。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る。その結果、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。
【００１１】
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、熱音響機関を効率的に用いて、排気ガスの熱回収で大きな効果を得ることができる。
【００１２】
上記のディーゼルエンジンで、前記冷却促進機構において、前記熱音響機関の前記冷却器に送風する電動ファンを備えて構成すると、冷却器を空冷する際に電動ファンによる送風を利用して、冷却器における熱の放出を直接的に促進することができるので、冷却効率を上げることができ、冷却器を小型化できる。また、冷却促進機構の容量を小さくすることができる。
【００１３】
上記のディーゼルエンジンで、前記冷却促進機構において、前記冷却機構で前記熱音響機関の前記冷却器から熱を奪う熱媒体を冷却する部分に送風する電動ファンを備えて構成すると、冷却促進機構の放熱部分を空冷する際に電動ファンによる送風を利用して、冷却器における熱の放出を間接的に促進することができるので、冷却効率を上げることができ、冷却促進機構を小型化できる。
【００１４】
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、ディーゼルエンジンのＥＧＲガスを熱音響機関の加熱器に導いて冷却し、前記熱音響機関の冷却器でＥＧＲガスから受けた熱を該熱音響機関の系外に放出すると共に、前記熱音響機関に設けた発電機構で、前記熱音響機関の内部の作動流体の自励振動の振動エネルギーを電気エネルギーに変換し、この電気エネルギーを用いて前記熱音響機関の冷却器における熱の放出を直接的又は間接的に促進する方法である。
【００１５】
この方法によれば、熱音響機関を用いて、ＥＧＲガスの熱を電気エネルギーに変換して回収するので、冷却負荷をこの回収される電気エネルギー分だけ小さくすることができ、更に、発電した電気エネルギーを用いて、熱音響機関の冷却器の冷却を直接的又は間接的に促進することができるので、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。
【発明の効果】
【００１６】
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、熱エネルギーを振動エネルギーを経由して電気エネルギーに変換して、熱音響機関の冷却器における冷却を直接的又は間接的に促進できるので、ＥＧＲガスの熱を効率的に吸熱することが可能となると共に、ディーゼルエンジン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。
【００１７】
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、また、ＥＧＲガス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、熱音響機関を効率良く作動させて、排気ガスの熱を効率良く回収できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】熱音響機関の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
第１の実施の形態のディーゼルエンジンでは、図１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とから構成される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。
【００２１】
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。
【００２２】
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振動（音波）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、熱エネルギーが振動エネルギーに変換される。この振動エネルギーはループ管２１で共振（共鳴）して、定在波としてループ管２１内に蓄えられる。
【００２３】
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。
【００２４】
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。図１の第１の実施の形態の構成では、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、この冷却器２４からの外気への放熱により作動流体Ｇは冷却される。
【００２５】
更に、熱音響機関２０の内部の作動流体Ｇの自励振動の振動エネルギーで発電する発電機構１２をループ管２１の一部に備えて構成される。この発電機構は、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する直動発電機（リニア発電機）等で構成される。この発電機構としては、その他にも、ループ管２１に第２共鳴管（図示しない）の一端を接続して設けて、熱音響自励振動によってループ管２１内に発生した音波を第２共鳴管の他端に配設されたトランスジューサによって機械振動に変換し、次いでこの機械振動を電気エネルギーに変換して利用（回収）する発電装置を利用することもできる。
【００２６】
また、発電機構１２で発電した電気エネルギーを用いて、熱音響機関２０の冷却器２４における熱の放出を促進する冷却促進機構を備えて構成される。図１に示す第１の実施の形態のディーゼルエンジンの構成では、この冷却促進機構は冷却器２４に送風する電動ファン１３を備えて構成される。これにより、冷却器２４を空冷する際に電動ファン１３による送風を利用して、冷却器２４における熱の放出を直接的に促進することができるので、冷却効率を上げることができ、冷却器２４を小型化できる。
【００２７】
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。第２の実施の形態は、冷却機構と冷却促進機構が、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。
【００２８】
この第２の実施の形態では、図２に示すように、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では、冷却器２４は作動流体Ｇと冷却水（熱媒体）との間で熱交換する水冷の熱交換器１４で構成される。この熱交換器１４では、冷却器２４の熱交換で温度上昇した冷却水は、循環経路１４ａを経由してラジエータ等の放熱部１４ｂに行き、この冷却水と外気との間で熱交換する放熱部１４ｂにおける外気への放熱により冷却される。
【００２９】
また、発電機構１２で発電した電気エネルギーを用いて、熱音響機関２０の冷却器２４における熱の放出を促進する冷却促進機構は、放熱部１４ｂに送風する電動ファン１３を備えて構成される。つまり、冷却促進機構に、冷却機構で熱音響機関２０の冷却器２４から熱を奪う冷却水（熱媒体）を冷却する部分に送風する電動ファン１３を備えて構成する。これにより、冷却促進機構の放熱部１４ｂを空冷する際に電動ファン１３による送風を利用して、冷却器２４における熱の放出を間接的に促進することができるので、冷却効率を上げることができる。その結果、冷却器２４、及び、放熱部１４ｂを小型化できる。
【００３０】
上記の構成のディーゼルエンジンにおけるＥＧＲガスの冷却方法は、ディーゼルエンジンのＥＧＲガスＧｅを熱音響機関２０の加熱器２３に導いて冷却し、この熱音響機関２０の冷却器２４でＥＧＲガスＧｅから受けた熱をこの熱音響機関２０の系外に放出すると共に、この熱音響機関２０に設けた発電機構１２で、熱音響機関２０の内部のガス体Ｇの自励振動の振動エネルギーで発電し、この発電で生じた電気エネルギーを用いて、この熱音響機関２０の冷却器２４における熱の放出を直接的又は間接的に促進する。
【００３１】
このディーゼルエンジン及びディーゼルエンジンのＥＧＲガスの冷却方法によれば、熱音響機関２０をＥＧＲガスＧｅ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振動（音波）エネルギーを、更に、発電機構１２で電気エネルギーに変換して回収するので、冷却器２４における冷却負荷はこの回収されるエネルギー分だけ小さくなる。
【００３２】
更に、熱音響機関２０に発電機構１２を設けて、発電した電気エネルギーを用いて、熱音響機関２０の冷却器２４の冷却を直接的又は間接的に促進するので、冷却器２４の空冷又は水冷で熱交換される熱量を小さくすることできる。
【００３３】
その結果、冷却に使用するためにディーゼルエンジンで発電する電気量を減少でき、燃費を向上することができる。また、一方で、冷却器２４の容量、又は、冷却器２４から熱を奪った冷却水（熱媒体）を更に冷却する放熱部（例えば、ラジエータ等）１４ｂ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。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
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振動エネルギーを電気エネルギーに変換して熱音響機関の冷却器の冷却の促進に利用してＥＧＲガスの熱を効率的に吸熱でき、これにより、エンジンの冷却負荷を軽減できると共に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。
【符号の説明】
【００３５】
１１  ＥＧＲガス通路
１２  発電機構
１３  電動ファン
１４  水冷の熱交換器
１４ａ  循環経路
１４ｂ  放熱部
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
Ｇｅ  ＥＧＲガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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