(57)【要約】【課題】吸気温度の低減効果を高めた吸気温度低減装置を提供する。【解決手段】吸気通路２の外部から熱を受ける区間４よりも上流側にて吸気通路２に吸気の比熱を高める物質を冷却材として供給する冷却材供給器１１と、吸気通路２の区間４を空気とともに移動して昇温した冷却材を内燃機関１の燃焼室１ａよりも上流にて吸気通路２から回収する冷却材回収器１２と、回収した冷却材を冷却する冷却器１３とを吸気温度低減装置１Ａに設ける。冷却器１３にて冷却した冷却材は冷却材供給器１１から供給されるべき冷却材として再利用する。【選択図】図１
2008038756.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気通路の外部から熱を受ける区間よりも上流側にて前記吸気通路に吸気の比熱を高める物質を冷却材として供給する供給手段と、
前記吸気通路の前記区間を空気とともに移動して昇温した冷却材を前記内燃機関の燃焼室よりも上流にて前記吸気通路から回収する回収手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の吸気温度低減装置。
【請求項２】
前記冷却材が前記区間に達するまでに該冷却材と空気とが略均等に混ざり合うように前記供給手段による前記冷却材の供給位置が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の吸気温度低減装置。
【請求項３】
前記冷却材の回収位置にて前記吸気の温度が前記冷却材の沸点以下に保持されて前記冷却材の少なくとも一部が気相へと変化することなく回収されるように、前記供給手段による前記冷却材の供給量が設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の吸気温度低減装置。
【請求項４】
前記回収手段が回収した冷却材を冷却する冷却手段をさらに備え、前記冷却手段にて冷却された冷却材が前記供給手段から供給されるべき冷却材として再利用されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の吸気温度低減装置。
【請求項５】
前記吸気通路には吸気を圧縮するコンプレッサが設けられ、前記供給手段による前記冷却材の供給位置が前記コンプレッサよりも上流に設定され、前記回収手段による前記冷却材の回収位置が前記コンプレッサよりも下流に設定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の吸気温度低減装置。
【請求項６】
前記冷却材として液体が使用され、前記供給手段は、吸気通路内にベンチュリ効果で圧力低下を生じさせ、その圧力低下に伴う圧力差を利用して前記冷却材を無動力で噴霧化して前記吸気通路に供給することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の吸気温度低減装置。
【請求項７】
前記回収手段は、吸気の流れ方向と交差する少なくとも一枚の邪魔板を備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の吸気温度低減装置。
【請求項８】
前記邪魔板を冷却する邪魔板冷却手段をさらに備えたことを特徴とする請求項７に記載の吸気温度低減装置。
【請求項９】
前記邪魔板冷却手段として、前記内燃機関の排気熱を高温熱源として使用する冷凍機が設けられていることを特徴とする請求項８に記載の吸気温度低減装置。
【請求項１０】
前記冷却材として水が利用されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の吸気温度低減装置。
【請求項１１】
空気を圧縮するコンプレッサと、
前記コンプレッサにて圧縮された空気を加圧された状態下で冷却する加圧空気冷却手段と、
冷却された空気を断熱膨張させて内燃機関に取り込まれる吸気よりも低温の空気を生成する膨張手段と、
断熱膨張後の空気を前記吸気通路に導入する冷気導入手段と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の吸気温度低減装置。
【請求項１２】
前記加圧空気冷却手段による冷却時の凝縮で発生した水を前記膨張手段を経て前記吸気通路に導かれる空気から除去する除水手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１１に記載の吸気温度低減装置。
【請求項１３】
吸気の比熱を高める物質を冷却材として内燃機関の吸気通路に供給する手順と、前記吸気通路の外部から熱を受ける区間にて前記冷却材を前記空気とともに移動させる手順と、前記内燃機関の燃焼室よりも上流にて前記冷却材を前記吸気通路から回収する手順と、を備えたことを特徴とする内燃機関の吸気温度低減方法。
【請求項１４】
内燃機関の吸気通路に冷却材として水を供給可能であり、かつ該水の供給量が調整可能な供給手段と、
前記供給手段から供給される水の全量が前記内燃機関の燃焼室に吸入されるまでに気化するように該供給手段からの水の供給量を制御する供給量制御手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の吸気温度低減装置。
【請求項１５】
前記供給量制御手段は、前記供給手段による水の供給位置よりも上流における吸気の温度及び湿度に基づいて、前記水の供給前の段階で前記吸気に含まれる水蒸気量を既存水蒸気量として求める水蒸気量算出手段と、前記燃焼室に吸入される吸気の温度に基づいて前記燃焼室への導入段階における吸気の飽和水蒸気量を求める飽和水蒸気量算出手段と、求められた飽和水蒸気量と既存水蒸気量との差に相当する量以下の水が供給されるように前記供給手段による水の供給量を制御する水量設定手段と、を備えていることを特徴とする請求項１４に記載の吸気温度低減装置。
【請求項１６】
内燃機関の吸気通路に冷却材としての水を供給する吸気温度低減方法であって、前記吸気通路に供給する水量を、その水の全量が前記内燃機関の燃焼室に吸入されるまでに気化し得る範囲に制限することを特徴とする内燃機関の吸気温度低減方法。
【請求項１７】
空気を圧縮するコンプレッサと、前記コンプレッサにて圧縮された空気を加圧された状態下で冷却する加圧空気冷却手段と、冷却された空気を断熱膨張させることにより、内燃機関の吸気通路に取り込まれる吸気よりも低温の空気を生成する膨張手段と、断熱膨張後の空気を前記吸気通路に導入する冷気導入手段と、を備えたことを特徴とする内燃機関の吸気温度低減装置。
【請求項１８】
前記加圧空気冷却手段による冷却時の凝縮で発生した水を、前記断熱膨張する空気とともに前記吸気通路に導入する給水手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１７に記載の吸気温度低減装置。
【請求項１９】
前記加圧空気冷却手段による冷却時の凝縮で発生した水を前記膨張手段を経て前記吸気通路に導かれる空気から除去する除水手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１７に記載の吸気温度低減装置。
【請求項２０】
前記内燃機関が車両の走行用駆動源として利用され、前記コンプレッサは前記車両から回収される運動エネルギにて駆動されることを特徴とする請求項１７〜１９のいずれか一項に記載の吸気温度低減装置。
【請求項２１】
空気を圧縮する手順と、圧縮後の空気を加圧された状態で冷却する手順と、冷却された空気を断熱膨張させて内燃機関に取り込まれる吸気よりも低温の空気を生成する手順と、断熱膨張後の空気を前記吸気通路に導入する手順と、を備えたことを特徴とする内燃機関の吸気温度低減方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に取り込まれる吸気の温度を低減する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の吸気中に水を混ぜて冷却効果を生じさせる装置として、容積型過給機の吸気口に水を噴射してその水を過給機の内部で蒸発させ、その際の蒸発潜熱を利用して過給機のロータ及びハウジングを冷却する過給機用冷却装置が知られている（例えば特許文献１参照）。圧縮機にて圧縮された吸気を水と接触させて吸気を冷却する吸気冷却方法又は装置も知られている（例えば特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平９−２２８４５号公報
【特許文献２】特表平８−５１２３７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
内燃機関の熱効率を向上させるには、吸気温度を下げてノッキングを防止しつつ圧縮比を高めることが効果的である。上述した特許文献１の装置では、過給機内に噴射された水の蒸発潜熱により吸気温度の低減効果が生じる。しかし、蒸発潜熱による温度低減効果は一時的に発揮されるに過ぎない。水分の蒸発後は、水蒸気の比熱が液体としての水のそれよりも小さいため、吸気温度の低減効果は著しく低下する。内燃機関の吸気温度は、過給機による断熱圧縮の影響に限らず、吸気通路が過給機内の通路長よりも遥かに長い区間に亘って外部から熱を受けることにより上昇する。上述した従来技術は、このような吸気通路の外部からの熱による温度上昇を抑えるには十分な効果を発揮できない。
【０００４】
そこで、本発明は吸気温度の低減効果を高めた吸気温度低減装置及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の吸気温度低減装置は、吸気通路の外部から熱を受ける区間よりも上流側にて前記吸気通路に吸気の比熱を高める物質を冷却材として供給する供給手段と、前記吸気通路の前記区間を空気とともに移動して昇温した冷却材を前記内燃機関の燃焼室よりも上流にて前記吸気通路から回収する回収手段と、を備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。
【０００６】
上述した第１の吸気温度低減装置によれば、吸気通路に冷却材が供給されることにより吸気の比熱が増加する。このため、冷却材を含んだ吸気が吸気通路の外部からの熱を受けたときの吸気の温度上昇は、吸気通路に冷却材を供給しない場合と比較して小さく抑えられる。吸気通路を移動する間に昇温した冷却材が回収されることにより、吸気通路の外部から与えられた熱の多くは冷却材に吸収されて吸気通路から回収される。これにより、吸気通路の外部から伝えられる熱による吸気温度の上昇を抑えて吸気温度の低減効果を高めることができる。
【０００７】
第１の吸気温度低減装置の一形態においては、前記冷却材が前記区間に達するまでに該冷却材と空気とが略均等に混ざり合うように前記供給手段による前記冷却材の供給位置が設定されてもよい（請求項２）。この形態によれば、吸気通路の外部から熱を受ける区間に吸気が達した時点で空気と冷却材とが略均等に混ざり合っているので、吸気通路の外部から伝えられる熱を冷却材に満遍なく吸収させて吸気温度の低減効果を確実かつ効果的に発揮させることができる。
【０００８】
第１の吸気温度低減装置の一形態においては、前記冷却材の回収位置にて前記吸気の温度が前記冷却材の沸点以下に保持されて前記冷却材の少なくとも一部が気相へと変化することなく回収されるように、前記供給手段による前記冷却材の供給量が設定されてもよい（請求項３）。冷却材が気相へと変化した後は、相変化前と比較して冷却材の比熱が低下し、これに応じて吸気温度の低減効果も小さくなる。これに対して、本形態では少なくとも一部の冷却材が気相へと変化することなく回収位置まで移動するため、冷却材の供給位置から回収位置まで比熱が高い（あるいは大きい）冷却材を吸気中に存在させて吸気通路に与えられる熱をその冷却材に効率よく吸収させることができる。これにより、吸気温度の低減効果を十分に発揮させることができる。
【０００９】
第１の吸気温度低減装置の一形態においては、前記回収手段が回収した冷却材を冷却する冷却手段をさらに備え、前記冷却手段にて冷却された冷却材が前記供給手段から供給されるべき冷却材として再利用されてもよい（請求項４）。吸気通路を移動する間に昇温した冷却材を冷却して再利用することにより、冷却材の補給、生成といった処理を不要とし、あるいはその処理の頻度を低下させることができる。これにより、吸気温度低減効果と引き替えに生じる負担を軽減することができる。
【００１０】
第１の吸気温度低減装置の一形態において、前記吸気通路には吸気を圧縮するコンプレッサが設けられ、前記供給手段による前記冷却材の供給位置が前記コンプレッサよりも上流に設定され、前記回収手段による前記冷却材の回収位置が前記コンプレッサよりも下流に設定されてもよい（請求項５）。この形態によれば、コンプレッサ内の断熱圧縮に対する吸気の温度上昇を冷却材の存在によって抑えることができる。
【００１１】
第１の吸気温度低減装置の一形態においては、前記冷却材として液体が使用されてもよい。この場合、前記供給手段は、吸気通路内にベンチュリ効果で圧力低下を生じさせ、その圧力低下に伴う圧力差を利用して前記冷却材を無動力で噴霧化して前記吸気通路に供給してもよい（請求項６）。本形態によれば、冷却材を噴霧化して吸気通路に供給することにより、空気と冷却材とを早期に均等に混ぜ合わせることができる。冷却材の供給に動力を使用しないので、エネルギ消費を抑えることができるとともに、吸気通路に取り込まれる空気に冷却材供給用のエネルギが加えられて吸気温度が上昇するおそれもない。
【００１２】
第１の吸気温度低減装置の一形態において、前記回収手段は、吸気の流れ方向と交差する少なくとも一枚の邪魔板を備えてもよい（請求項７）。吸気に含まれる冷却材の密度は空気のそれと比して大きいため、空気が邪魔板を避けるようにして回収手段を通り抜けても、冷却材は邪魔板を避けることができず、その邪魔板に衝突して捕捉される。これにより、空気と冷却材とを分離して吸気から冷却材を回収することができる。
【００１３】
邪魔板を設ける形態においては、前記邪魔板を冷却する邪魔板冷却手段をさらに備えてもよい（請求項８）。邪魔板を冷却することにより、回収手段の雰囲気温度を低下させて吸気温度をさらに低減することができる。吸気中で気化している冷却材の凝縮を回収手段の内部で促進して冷却材の回収率を高めることができる。これにより、内燃機関の燃焼室への冷却材の吸入を抑えることができる。特に冷却材として水を使用した場合、燃焼室に吸入される吸気の水蒸気量を減らして吸気の比熱比を高めることができるので、内燃機関の熱効率を向上させることができる。冷却材を回収して再利用する場合には冷却材の消耗、あるいは損失を抑えて冷却材の補給を不要とし、あるいは補給の頻度を低下させることができる。
【００１４】
さらに、前記邪魔板冷却手段として、前記内燃機関の排気熱を高温熱源として使用する冷凍機が設けられてもよい（請求項９）。内燃機関の排気熱を高温熱源として冷凍サイクルを成立させ、その冷凍サイクルで得られる低温を利用して吸気温度を低下させることにより、内燃機関の熱効率を上昇させることができる。すなわち、排気エネルギの一部を利用して内燃機関の熱効率を向上させることができる。排気熱を回収して冷凍機の高温熱源に利用することにより、排気温度が低下して排気の背圧が低下する。これにより、内燃機関の出力性能の向上を図ることができる。
【００１５】
第１の吸気温度低減装置においては、前記冷却材として水が利用されてもよい（請求項１０）。冷却材として水を利用した場合には、比熱が大きく、吸気通路への噴霧により空気と水とを迅速かつ均等に混ぜ合わせることができ、回収手段による回収も容易であり、仮に一部の水が未回収のまま燃焼室に吸入されたとしても、固体粉末等が燃焼室に吸入される場合と比較して、燃焼あるいは排気エミッションに与える影響が小さい。空気中の水蒸気を液化することにより冷却材を容易に調達できる利点もある。
【００１６】
第１の吸気温度低減装置においては、空気を圧縮するコンプレッサと、前記コンプレッサにて圧縮された空気を加圧された状態下で冷却する加圧空気冷却手段と、冷却された空気を断熱膨張させて内燃機関に取り込まれる吸気よりも低温の空気を生成する膨張手段と、断熱膨張後の空気を前記吸気通路に導入する冷気導入手段と、をさらに備えてもよい（請求項１１）。コンプレッサで圧縮された空気は圧縮前よりも高温になるが、これを加圧された状態のままで冷却すれば、高圧でかつ圧縮時点よりも低温の空気が得られる。その冷却された空気をさらに断熱膨張させてその圧力を吸気圧程度まで低下させることにより、圧縮前よりも低温の空気を生成することができる。そして、得られた低温の空気を吸気通路に導入することにより、吸気温度をさらに低減させることができる。この場合、前記加圧空気冷却手段による冷却時の凝縮で発生した水を前記膨張手段を経て前記吸気通路に導かれる空気から除去する除水手段をさらに備えてもよい（請求項１２）。圧縮された空気を冷却した場合、空気中の水蒸気が凝縮して水が発生する。この水を吸気通路に導かれる空気から除去することにより燃焼室に吸入される空気中の湿度を低下させることができる。水蒸気の比熱比は乾き空気の比熱比よりも小さいため、水蒸気量を減少させて湿度を下げることにより内燃機関の熱効率を高めることができる。
【００１７】
本発明の第１の吸気温度低減方法は、吸気の比熱を高める物質を冷却材として内燃機関の吸気通路に供給する手順と、前記吸気通路の外部から熱を受ける区間にて前記冷却材を前記空気とともに移動させる手順と、前記内燃機関の燃焼室よりも上流にて前記冷却材を前記吸気通路から回収する手順と、を備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１３）。この方法によれば、上述した第１の吸気温度低減装置と同様に、吸気通路に供給された冷却材が空気とともに吸気通路を移動して回収されることにより、吸気通路の外部から与えられた熱の多くを冷却材に吸収して吸気通路から回収することができる。これに、吸気通路の外部から伝えられる熱による吸気温度の上昇を抑えて吸気温度の低減効果を高めることができる。なお、第１の吸気温度低減方法においては、上述した第１の吸気温度低減装置の各形態と同様の形態を適用することができる。
【００１８】
本発明の第２の吸気温度低減装置は、内燃機関の吸気通路に冷却材として水を供給可能であり、かつ該水の供給量が調整可能な供給手段と、前記供給手段から供給される水の全量が前記内燃機関の燃焼室に吸入されるまでに気化するように該供給手段からの水の供給量を制御する供給量制御手段と、を備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１４）。
【００１９】
第２の吸気温度低減装置によれば、吸気通路に冷却材として水を供給することにより、吸気の比熱を高めて吸気温度の上昇を抑えるとともに、水の蒸発潜熱を利用して吸気温度の上昇をさらに抑えることができる。これらの作用が相俟って優れた吸気温度低減効果が得られる。しかも、吸気が燃焼室に吸入されるまでに全ての水が気化するように水の供給量が制御されるので、燃焼室に水が吸入されるおそれがなく、冷却材としての水を回収する設備が不要となる。これにより、装置をコンパクトに構成することができる。さらに、燃焼室に吸入される空気中の水蒸気量が飽和水蒸気量に略一致するように水の供給量を制御すれば、蒸発潜熱による温度低減効果を最大限に発揮させることができる。
【００２０】
第２の吸気温度低減装置の一形態において、前記供給量制御手段は、前記供給手段による水の供給位置よりも上流における吸気の温度及び湿度に基づいて、前記水の供給前の段階で前記吸気に含まれる水蒸気量を既存水蒸気量として求める水蒸気量算出手段と、前記燃焼室に吸入される吸気の温度に基づいて前記燃焼室への導入段階における吸気の飽和水蒸気量を求める飽和水蒸気量算出手段と、求められた飽和水蒸気量と既存水蒸気量との差に相当する量以下の水が供給されるように前記供給手段による水の供給量を制御する水量設定手段と、を備えてもよい（請求項１５）。燃焼室に導入される段階における空気の飽和水蒸気量と、吸気通路に水が供給される前の段階で吸気に含まれる既存水蒸気量との差は、吸気通路に取り込まれた吸気が燃焼室に至るまでに気化し得る水量の最大値に相当する。従って、供給手段から供給される水量をその飽和水蒸気量と既存水蒸気量との差以下に設定すれば、吸気通路を水が移動する間に受ける熱で全ての水を気化させて燃焼室への水の吸入を防止することができる。
【００２１】
本発明の第２の吸気温度低減方法は、内燃機関の吸気通路に冷却材としての水を供給する吸気温度低減方法であって、前記吸気通路に供給する水量を、その水の全量が前記内燃機関の燃焼室に吸入されるまでに気化し得る範囲に制限することにより、上述した課題を解決する（請求項１６）。この方法によれば、上述した第２の吸気温度低減装置と同様に、吸気通路に冷却材としての水が供給されることにより、吸気の比熱が高められて吸気温度の上昇が抑えられ、かつ、水の蒸発潜熱により吸気温度の上昇がさらに抑えられることにより、優れた吸気温度低減効果が得られる。しかも、吸気が燃焼室に吸入されるまでに全ての水が気化し得る範囲に水の供給量が制限されるので、燃焼室に水が吸入されるおそれがなく、冷却材としての水を回収する設備が不要となる。これにより、吸気温度の低減に必要な装置、あるいは設備をコンパクトに構成することができる。さらに、燃焼室に吸入される空気中の水蒸気量が飽和水蒸気量に略一致するように水の供給量を制御することにより、蒸発潜熱による温度低減効果を最大限に発揮させることができる。なお、第２の吸気温度低減方法においては、上述した第２の吸気温度低減装置の各形態と同様の形態を適用することができる。
【００２２】
本発明の第３の吸気温度低減装置は、空気を圧縮するコンプレッサと、前記コンプレッサにて圧縮された空気を加圧された状態下で冷却する加圧空気冷却手段と、冷却された空気を断熱膨張させることにより、内燃機関の吸気通路に取り込まれる吸気よりも低温の空気を生成する膨張手段と、断熱膨張後の空気を前記吸気通路に導入する冷気導入手段と、を備えることにより、上述した課題を解決する（請求項１７）。
【００２３】
第３の吸気温度低減装置においては、コンプレッサにて圧縮された空気を加圧された状態のままで冷却すれば、高圧でかつ圧縮時点よりも低温の空気が得られる。その冷却された空気をさらに断熱膨張させてその圧力を吸気圧程度まで低下させることにより、圧縮前よりも低温の空気を生成することができる。そして、得られた低温の空気を吸気通路に導入することにより、吸気温度を低減させることができる。一例として、高圧の空気を大気圧程度まで冷却し、その後に空気を断熱膨張させることにより大気温度よりも十分に低温の空気を生成して吸気通路に導くことができる。これにより、吸気温度を顕著に低下させることができる。
【００２４】
第３の吸気温度低減装置の一形態においては、前記加圧空気冷却手段による冷却時の凝縮で発生した水を、前記断熱膨張する空気とともに前記吸気通路に導入する給水手段をさらに備えてもよい（請求項１８）。凝縮で発生した水を給水手段にて吸気通路に導入することにより、吸気通路に導入される空気の質を圧縮前と略等しい状態で安定させることができる。吸気通路に導入される空気を水の凝固点よりも低温域まで冷却すれば、吸気通路に導入される水を凝固させて吸気通路に氷の粒を供給することもできる。これにより、吸気温度の低減効果をさらに高めることができる。
【００２５】
第３の吸気温度低減装置の一形態においては、前記加圧空気冷却手段による冷却時の凝縮で発生した水を前記膨張手段を経て前記吸気通路に導かれる空気から除去する除水手段をさらに備えてもよい（請求項１９）。凝縮で発生した水を空気から除去することにより、吸気通路に導かれる空気の湿度を低下させることができる。水蒸気の比熱比は乾き空気の比熱比よりも小さいため、水蒸気量を減少させて湿度を下げることにより内燃機関の熱効率を高めることができる。
【００２６】
第３の吸気温度低減装置の一形態においては、前記内燃機関が車両の走行用駆動源として利用され、前記コンプレッサは前記車両から回収される運動エネルギにて駆動されてもよい（請求項２０）。この形態によれば、車両から回収される運動エネルギを利用して空気を圧縮するので、吸気温度をさらに効率よく低減することができる。
【００２７】
本発明の第３の吸気温度低減方法は、空気を圧縮する手順と、圧縮後の空気を加圧された状態で冷却する手順と、冷却された空気を断熱膨張させて内燃機関に取り込まれる吸気よりも低温の空気を生成する手順と、断熱膨張後の空気を前記吸気通路に導入する手順と、を備えることにより、上述した課題を解決する（請求項２１）。この方法によれば、上述した第３の吸気温度低減装置と同様に、圧縮された空気を加圧された状態のままで冷却することにより、高圧でかつ圧縮時点よりも低温の空気を得て、その冷却された空気をさらに断熱膨張させてその圧力を吸気圧程度まで低下させることにより、圧縮前よりも低温の空気を生成することができる。そして、得られた低温の空気を吸気通路に導入することにより、吸気温度を低減させることができる。なお、第３の吸気温度低減方法においては、上述した第３の吸気温度低減装置の各形態と同様の形態を適用することができる。
【００２８】
以上に説明した発明及びその好適な形態において、吸気温度の低減の用語は、外部からの熱で昇温した吸気を冷却してその温度を低下させる場合のみならず、吸気の温度を、本発明が適用されない場合のそれと比較して低温に抑えること、言い換えれば、温度上昇を抑制する場合も含む概念である。
【発明の効果】
【００２９】
以上に説明したように、本発明の第１の吸気温度低減装置及び方法によれば、吸気通路に冷却材を供給して吸気の比熱を高めた状態で、その冷却材を空気とともに吸気通路の外部から熱を受ける区間内にて移動させ、さらに、熱を受けて昇温した冷却材を吸気通路から回収しているので、吸気通路の外部から与えられた熱の多くを冷却材に吸収して吸気通路から回収し、それにより、吸気温度の上昇を抑えて吸気温度の低減効果を高めることができる。
【００３０】
また、本発明の第２の吸気温度低減装置及び方法によれば、吸気通路に冷却材として水を供給することにより、吸気の比熱を高めて吸気温度の上昇を抑えるとともに、水の蒸発潜熱を利用して吸気温度の上昇をさらに抑え、それらの作用の相乗効果で優れた吸気温度低減効果を得ることができる。しかも、吸気が燃焼室に吸入されるまでに全ての水が気化するように水の供給量が制御されるので、燃焼室に水が吸入されるおそれがなく、冷却材としての水を回収する設備が不要となる。これにより、装置をコンパクトに構成することができる。さらに、燃焼室に吸入される空気中の水蒸気量が飽和水蒸気量に略一致するように水の供給量を制御すれば、蒸発潜熱による温度低減効果を最大限に発揮させることができる。
【００３１】
さらに、本発明の第３の吸気温度低減装置及び方法によれば、圧縮された空気を加圧された状態のままで冷却することにより、高圧でかつ圧縮時点よりも低温の空気を得て、その冷却された空気をさらに断熱膨張させてその圧力を吸気圧程度まで低下させることにより、圧縮前よりも低温の空気を生成することができる。そして、得られた低温の空気を吸気通路に導入することにより、吸気温度を低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
［第１の形態］
図１は、本発明の第１の形態に係る吸気温度低減装置の概略を示している。図１において、内燃機関（以下、エンジンと略称する。）１は、車両のエンジンルームに走行用の動力源として設けられるものである。エンジン１は、吸気通路２を介して燃焼室１ａに吸気して燃焼室１ａで燃焼を生じさせ、その燃焼で生じたエネルギでピストン１ｂを往復運動させて動力を取り出し、燃焼で生じた排気ガスを燃焼室１ａから排気通路３を介して外部に排出する。吸気通路２の上流部にはエアフィルタ６が設けられ、排気通路３の図示しない下流部には排気浄化触媒、消音器等が設けられる。吸気通路２内の実線の矢印は吸気の流れ方向を、排気通路３内の矢印は排気の流れを示している。吸気通路２の少なくとも一部は管状部材によって形成され、その管状部材はエンジンルーム内において適宜の経路で配管される。このため、図中に矢印Ｈで示したように、吸気通路２には、外部からの熱、典型的にはエンジン１が発生する熱を受ける区間４が存在する。区間４の始点、つまり上流側の境界となるべき位置は、本形態の吸気温度低減装置１０Ａを使用しない場合、つまり冷却材を吸気通路２に供給しない場合において、吸気通路２の外部から受ける熱により吸気温度が吸気通路２への取り込み時の温度よりも上昇を開始する位置として定義することができる。
【００３３】
吸気温度低減装置１０Ａは、吸気通路２に冷却材を供給するための供給手段としての冷却材供給器１１と、吸気通路２から冷却材を回収するための回収手段としての冷却材回収器１２と、回収された冷却材を冷却する冷却手段としての冷却器１３とを備えている。冷却材には、吸気の比熱を高めることが可能な物質、より詳しくは、空気よりも比熱が高い（あるいは大きい）固体の粉末又は液体が用いられる。固体の粉末としては、ポリエチレン（比熱２．２３Ｊ／ｇ・Ｋ）、アルミニウム（比熱０．９０２Ｊ／ｇ・Ｋ）等の粉末を用いることができる。液体としては、水（比熱４．２Ｊ／ｇ・Ｋ）等を用いることができる。冷却材として水を利用した場合には、比熱が大きく、吸気通路２への噴霧により空気と水とを迅速かつ均等に混ぜ合わせることができ、冷却材回収器１２による回収も容易であり、仮に一部の水が未回収のまま燃焼室１ａに吸入されたとしても、固体粉末等の異物が燃焼室１ａに吸入される場合と比較して、燃焼あるいは排気エミッションに与える影響が小さい、空気中の水蒸気を凝縮させることにより冷却材を容易に調達できる、といった利点がある。
【００３４】
冷却材供給器１１はノズル１１ａを有し、そのノズル１１ａから吸気通路２に冷却材を供給する。ノズル１１ａからの冷却材の供給位置は、吸気通路２の区間４の始点又はこれよりも上流に設定される。好ましくは、区間４の始点において空気と冷却材とが略均等に混ざり合った状態が得られるように、区間４の始点から適度な距離的余裕を見込んだ上流に冷却材の供給位置を設定する。
【００３５】
冷却材供給器１１による冷却材の供給にはポンプ等の動力源を用いてもよいが、動力を用いることなく冷却材を供給することもできる。例えば、固体粉末であれば各種の粉末供給手段を利用することができる。液体の冷却材を供給する場合には、超音波振動機により冷却材を霧化して吸気通路２に供給するといった手段を用いることができる。あるいは、液体の冷却材の場合には、ベンチュリ効果を利用して冷却材を無動力で供給することもできる。無動力で供給する一例を図２に示す。図２の例では、吸気通路２の内部に小径部２ａが設けられ、その小径部２ａに一端が臨むようにノズル１１ａが配置されている。ノズル１１ａの他端はタンク１１ｂに蓄えられた冷却材Ｃに達している。図２の例によれば、小径部２ａの絞り作用により吸気速度が上昇し、それに伴って生じる圧力低下、つまりベンチュリ効果でタンク１１ｂからノズル１１ａに冷却材Ｃが吸い込まれて噴霧化されることにより、吸気通路２に冷却材が無動力で供給される。この場合、冷却材の供給用の動力を必要としないのでエネルギの消費量を抑えることができる。また、冷却材の供給に際して空気にエネルギが加えられないので、冷却材の供給に伴って吸気温度が上昇するおそれがない。
【００３６】
図１に戻って、冷却材回収器１２は、吸気通路２の一部を構成するように設けられた筒状のケーシング１２ａと、そのケーシング１２ａの内部に互い違いに配置された複数の邪魔板１２ｂとを備えている。各邪魔板１２ｂは、吸気通路２の吸気の流れ方向と交差するように、より具体的には吸気の流れ方向に対して概略直交するように配置されている。吸気通路２を流れる空気は邪魔板１２ｂ同士の隙間を通り抜けるようにして冷却材回収器１２を通過するが、吸気に混ぜられた冷却材は空気よりも密度が大きいために邪魔板１２ｂに衝突してこれに捕捉される。捕捉された冷却材は邪魔板１２ｂに沿って落下してケーシング１２ａの底に集められ、さらにドレン路１２ｃを介して冷却器１３に排出される。冷却器１３は、冷却材回収器１２から回収された冷却材と大気とを熱交換して冷却材の温度を大気温程度まで冷却する。すなわち、冷却器１３は空冷式の冷却器である。冷却器１３にて冷却された冷却材は冷却材供給器１１から供給されるべき冷却材として再利用される。なお、冷却材回収器１２による冷却材の回収位置は燃焼室１ａよりも上流であれば適宜に設定してよいが、その回収位置は吸気通路２の下流ほど望ましく、なるべくは区間４よりも下流の位置が適当である。しかし。吸気通路２のレイアウトの都合等の理由により、区間４の途中に冷却材回収器１２が設けられてもよい。
【００３７】
以上の吸気温度低減装置１０Ａによれば、冷却材供給器１１から吸気通路２に冷却材が供給されると、その冷却材は、破線の矢印で示すように吸気通路２の区間４を空気とともに移動する。冷却材は空気よりも比熱が大きいため、区間４において吸気通路２の外部から与えられる熱の多くは冷却材により吸熱される。従って、冷却材を供給しない場合と比較して空気の温度上昇が抑えられる。そして、区間４で昇温された冷却材は冷却材回収器１２にて回収される。このため、区間４で与えられた熱の多くが吸気から奪われる。これにより、エンジン１に吸入する吸気の温度上昇が冷却材を供給しない場合と比較して大幅に抑えられる。従って、エンジン１の燃焼室１ａに吸入される時点での吸気温度は、冷却材を供給しない場合と比較して顕著に低下する。このため、ノッキングを抑えつつ圧縮比を高めてエンジン１の熱効率を向上させることができる。
【００３８】
例えば、冷却材として水を用いた場合、空気１ｋｇに水１ｋｇを混ぜたときの吸気（ここでは、吸気通路２に取り込まれた空気及びこれに混ぜられた水の混合物を意味する。）の比熱は、空気単独で吸気が構成される場合と比較して略５倍に増加する。このため、損失を無視して熱変換の効率をひとまず１００％と仮定すると、吸気通路２の区間４にて外部から受ける熱の４／５は水に吸収され、１／５が空気に吸収される。従って、吸気温度の上昇は、水を混ぜない場合と比較して１／５程度に抑えられる。水以外の液体、あるいは固体粉末を冷却材として使用した場合でも、その冷却材の比熱に応じて吸気温度の低減効果、あるいは温度上昇抑制効果が生じる。
【００３９】
冷却材が空気とともに燃焼室１ａに吸入された場合には、冷却材が存在する分だけ吸気中の酸素量が減少し、その影響で燃焼が制限されて同一圧縮比で得られる出力が低下する。しかし、本形態では燃焼室１ａよりも上流に冷却材回収器１２を配置しているため、燃焼室１ａへの冷却材の吸入を防止して燃焼への影響を抑えることができる。
【００４０】
冷却材として水等の液体を使用した場合には、その液体の全量が冷却材回収器１２よりも上流で蒸発しないように、言い換えれば、冷却材回収器１２による回収位置にて冷却材の少なくとも一部が液相から気相への相変化を生じることなく吸気中に液体として残っているように冷却材供給器１１からの冷却材の供給量を設定することが望ましい。このように供給量を設定すれば、比熱の大きい液体が冷却材の回収位置まで吸気中に残されるので、液体の冷却材に熱を効率よく吸収させて吸気の温度低減効果、あるいは温度上昇抑制効果を十分に発揮させることができる。
【００４１】
図１では、吸気通路２に過給機が設けられていない例を示したが、例えば図３に示すようにターボチャージャ５等の過給機が設けられたエンジン１に対しても本形態の吸気温度低減装置１０Ａを適用することができる。この場合、冷却材供給器１１による冷却材の供給位置は図１の例と同様でよいが、吸気圧縮用のコンプレッサ５ａとの関係で言えば、コンプレッサ５ａよりも上流に供給位置を設定するとよい。詳しくは、吸気がコンプレッサ５ａの入口に達する前に空気と冷却材とが略均等に混ざり合うような位置に冷却材の供給位置を設定することが望ましい。供給位置をこのように設定すれば、コンプレッサ５ａの内部の断熱圧縮に伴う吸気温度の上昇を冷却材の存在によって大幅に抑えることができる。なお、図３以下では吸気通路２の区間４が外部から受ける熱Ｈの図示を省略している。
【００４２】
［第２の形態］
図４は、本発明の第２の形態に係る吸気温度低減装置１０Ｂを示している。図１又は図３と共通する構成要素は同一の参照符号を付して示す。本形態の吸気温度低減装置１０Ｂは、図３に示した吸気温度低減装置に対して、冷却材回収器１２の邪魔板１２ｂを冷却するための邪魔板冷却手段としての冷凍機１４が設けられた点を特徴として含む。なお、図４のエンジン１は、過給機としてエンジン１のクランク軸から取り出された動力で駆動される機械式過給機５Ａが使用されている点が図３のエンジン１と異なるが、過給機はターボチャージャでもよいし、過給機が省略されてもよい。冷却材供給器１１及び冷却器１３は図１又は図３の例と同様でよい。
【００４３】
冷凍機１４は、排気通路３の途中に設置された排気熱回収部１４ａから排気熱を取り込み、その排気熱を高温熱源とする冷凍サイクルを熱交換部１４ｂで成立させて大気よりも低温の冷気を生成し、得られた冷気を冷却材回収器１２のケーシング１２ａに設けられた冷熱部１４ｃに導くことにより冷熱部１４ｃと邪魔板１２ｂとの間で熱を交換して各邪魔板１２ｂを冷却する。排気熱回収部１４ａは、排気通路３に設けられる不図示の排気浄化触媒よりも下流側に設置される。排気通路３に過給機としてのターボチャージャのタービン部が設けられる場合には、そのタービン部及び排気浄化触媒よりもさらに下流に排気熱回収部１４ａが設置される。冷凍サイクルを成立させるための高温熱源は８０°Ｃ程度で足り、その高温熱源の温度は燃焼室１ａから排出される排気ガスの温度よりも遥かに低温である一方、タービン部では排気通路３に排出された直後の大きな排気エネルギを必要とし、かつ、排気浄化触媒は概略３００°Ｃ以上の高温域まで昇温されないと所定の排気浄化性能を発揮できないからである。
【００４４】
本形態の吸気温度低減装置１０Ｂによれば、吸気通路２に設置された冷却材回収器１２の邪魔板１２ｂが冷凍機１４によって冷却されることにより、冷却材回収器１２を通過する空気が冷却され、吸気温度がさらに低減される。また、冷却材として水を利用した場合には、邪魔板１２ｂによる冷却作用で吸気温度が低下することにより、冷却材回収器１２の内部の飽和蒸気量が減少して水の回収率が高まる。水以外の液体を冷却材として使用した場合でも同様である。さらに、排気通路３から排気熱が回収されることにより、排気通路３の背圧が低下し、エンジン１の出力性能が向上する。
【００４５】
［第３の形態］
図５は本発明の第３の形態に係る吸気温度低減装置１０Ｃを示している。図１、図３又は図４と共通する構成要素は同一の参照符号を付して示す。本形態の吸気温度低減装置１０Ｃは、図３に示した吸気温度低減装置１０Ａに対して冷却材回収器１２及び冷却器１３が省略されている。一方、エアフィルタ６の内部には吸気の温度及び湿度にそれぞれ対応した信号を出力する温度湿度センサ１６が設けられている。吸気通路２の終端部、つまり燃焼室１ａの直前の位置には、吸気の温度に対応した信号を出力する吸気温度センサ１７が設けられている。温度湿度センサ１６の位置は、冷却材供給器１１による冷却材の供給位置よりも上流における吸気の温度及び湿度を検出できる位置であればよく、エアフィルタ６の内部に限られない。吸気温度センサ１７の位置は、燃焼室１ａに吸入される吸気の温度を検出できる位置であればよい。
【００４６】
さらに、本形態の吸気温度低減装置１０Ｃは、冷却材供給器１１から供給される冷却材としての水の量（以下、供給水量と呼ぶ。）をセンサ１６、１７の出力信号に基づいて制御する制御装置１８を備えている。冷却材供給器１１には、タンク１１ｂからノズル１１ａに導かれる水の流量を調整する流量調整弁１１ｃが設けられている。制御装置１８は、その流量調整弁１１ｃの開度を変化させることにより供給水量を調整する。制御装置１８はマイクロプロセッサを主体とするコンピュータユニットとして構成されている。例えば、エンジン１の運転状態を制御するエンジンコントロールユニットを制御装置１８として使用することができる。なお、図５のエンジン１では、図４の例と同様に機械式過給機５Ａが設けられているが、その過給機はターボチャージャでもよいし、過給機が省略されてもよい。冷却材供給器１１による冷却材の供給位置は図１又は図３の例と同様でよい。
【００４７】
図６は制御装置１８が供給水量を制御するために実行する供給水量制御ルーチンを示している。制御装置１８は、エンジン１の運転中において所定の周期で図６のルーチンを繰り返し実行する。図６のルーチンにおいて、制御装置１８はまずステップＳ１で温度湿度センサ１６を利用して冷却材が供給される前の段階の吸気、つまり外部から吸気通路２に取り込まれる空気（以下、これを取り込み空気と呼ぶことがある。）の温度及び湿度を計測する。続くステップＳ２において、制御装置１８は温度及び湿度の計測値に基づいて取り込み空気に含まれている水蒸気量Ｗ１を既存水蒸気量として算出する。次のステップＳ３において、制御装置１８は吸気温度センサ１７を利用して、燃焼室１ａに導入される直前の吸気の温度を計測する。続いて、制御装置１８はステップＳ４に進み、自らの記憶装置に予め記憶されている飽和湿り空気表のデータを読み込み、燃焼室１ａに導入される直前の吸気の飽和湿分（飽和水蒸気量）Ｗ２を読み出す。
【００４８】
続くステップＳ５において、制御装置１８は、取り込み空気の水蒸気量Ｗ１から飽和水蒸気量Ｗ２を差し引くことにより、冷却材供給器１１からの供給水量Ｗ０（＝Ｗ２−Ｗ１）を算出する。次のステップＳ６にて、制御装置１８は供給水量Ｗ０が得られるように流量調整弁１１ｃの開度を制御し、その後に今回のルーチンを終了する。
【００４９】
以上の処理によれば、冷却材供給器１１からの供給水量Ｗ０が、燃焼室１ａに吸入される直前の吸気の飽和蒸気量（飽和湿分）Ｗ２と吸気通路２に取り込まれた時点での吸気に含まれる既存水蒸気量Ｗ１との差分に設定されているので、冷却材供給器１１から供給された水の全量が燃焼室１ａに吸入されるまでの間に蒸発する。従って、冷却材回収器１２が不要となり、これに伴って冷却器１３も不要となる。従って、装置１０Ｃをコンパクトに構成することができる。燃焼室１ａに吸入される直前の吸気の水蒸気量が飽和水蒸気量と略一致するように供給水量Ｗ０が設定されるので、蒸発潜熱による温度上昇抑制効果を最大限に発揮させることができる。また、水が気化するまでは吸気の比熱が高められることにより第１の形態と同様の吸気温度低減効果も得られる。なお、燃焼室１ａへの水の吸入を防止するためには、供給水量Ｗ０を、その全量が燃焼室１ａまでに気化し得る範囲に制限すればよい。つまり、供給水量Ｗ０を飽和蒸気量Ｗ２と既存水蒸気量Ｗ１との差以下に制限すればよい。従って、供給水量Ｗ０を飽和蒸気量Ｗ２と既存水蒸気量Ｗ１との差よりも更に小さく設定してもよい。
【００５０】
本形態においては、制御装置１８が供給量制御手段として機能する。より詳しくは、制御装置１８が図６のステップＳ１及びＳ２を実行することにより水蒸気量算出手段として機能し、ステップＳ３及びＳ４を実行することにより飽和水蒸気量算出手段として機能し、ステップＳ５及びＳ６を実行することにより水量設定手段として機能する。
【００５１】
［第４の形態］
図７は本発明の第４の形態に係る吸気温度低減装置１０Ｄを示している。図１、図３又は図４と共通する構成要素は同一の参照符号を付して示す。本形態の吸気温度低減装置１０Ｄは、液体又は固体粉末からなる冷却材の供給に代えて、冷却された空気を吸気通路２に導入して吸気温度を低減させるものである。このような機能を実現するため、吸気温度低減装置１０Ｄは、外部から空気を取り込んで圧縮するコンプレッサ２０と、そのコンプレッサ２０を駆動する駆動源２１と、コンプレッサ２０にて圧縮された高圧空気を蓄える高圧タンク２２と、その高圧タンク２２に蓄えられた空気を吸気通路２に導く冷気導入手段としての導入路２３と、その導入路２３を通過する空気を断熱膨張させる膨張手段としての膨張弁２４とを備えている。コンプレッサ２０は駆動源２１から駆動軸２０ａに入力される回転運動を利用して空気を圧縮する機械式圧縮機である。駆動源２１には車両の運動部分を適宜に利用することができる。例えば車両の車輪を駆動源２１として利用し、車両の制動時に駆動源２１と駆動軸２０ａとの間の動力伝達経路を接続することにより、コンプレッサ２０の駆動負荷で車輪を制動しつつ、その車輪の持つ運動エネルギをコンプレッサ２０の駆動エネルギとして回収して圧縮仕事を実施させることができる。
【００５２】
高圧タンク２２は、その外周に、加圧空気冷却手段としての多数のフィン２５を備えている。フィン２５を介して高圧タンク２２の内部の空気と外気とが熱交換されることにより、タンク２２内の空気は加圧された状態下で大気温度程度まで冷却される。高圧タンク２２内で冷却された空気はさらに導入路２３に導かれ、膨張弁２４を通過して断熱膨張する。膨張弁２４は空気の流れに絞り効果を与えることにより、高圧タンク２２側と吸気通路２側との間で圧力差を生じさせて空気を断熱膨張させる弁である。膨張弁２４を通過する際の断熱膨張により、導入路２３から吸気通路２に流入する空気の温度は大気温度、つまり吸気通路２に取り込まれる際の吸気温度よりもさらに低下する。その冷却された空気が吸気通路２を流れる吸気に混ぜ合わされることにより吸気が冷却され、吸気温度が低減される。一例として、コンプレッサ２０にて１ＭＰａまで空気を圧縮し、これを高圧タンク２２内で３００Ｋ程度の大気温度まで低下させ、さらに膨張弁２４にて空気を大気圧まで断熱膨張させた場合、導入路２３から吸気通路２に導かれる空気の温度は１１９Ｋ程度まで低下する。このような低温の空気を吸気通路２に導くことにより、吸気温度を顕著に低下させることができる。
【００５３】
なお、吸気通路２と導入路２３との接続位置、つまり、高圧タンク２２に蓄えた空気の吸気通路２に対する導入位置は適宜に定めてよい。図示の例では、ターボチャージャ５の下流に配置されるインタークーラ７とスロットル弁８との間に導入路２３からの空気の導入位置が設定されている。但し、本形態の吸気温度低減装置１０Ｄにおいてインタークーラ７は必須ではない。
【００５４】
高圧タンク２２内に蓄えられた空気がフィン２５にて冷却されることにより、高圧タンク２２の内部では飽和水蒸気量が減少し、空気中の水蒸気が凝縮してタンク２２の底に水Ｗが溜まる。本形態の吸気温度低減装置１０Ｄでは、タンク２２内の水Ｗを吸気通路２に導入するための給水手段としての給水装置２６が設けられている。図８に示すように、給水装置２６は、高圧タンク２２の内部に設けられた給水管２６ａと、その給水管２６ａの上端部に設けられたオリフィス２６ｂとを備えている。オリフィス２６ｂは導入路２３の断面積を局部的に減少させるように設けられている。給水管２６ａの上端はオリフィス２６ｂにほぼ達している。このような給水装置２６によれば、オリフィス２６ｂの前（下）側の圧力をＰ０、後（上）側の圧力をＰ、導入路２３を通過する空気の流速をＶとすれば下式が成立する。
【００５５】
【数１】
2008038756.tif 000003
但し、γ＝ρ・ｇであり、γは流体の比重量、ρは密度、ｇは重力加速度である。
【００５６】
従って、圧力差（Ｐ０−Ｐ）に応じて給水管２６ａに水を吸い上げる力が生じ、タンク２２の底に溜まった水Ｗが給水管２６ａに吸い上げられてその上端から吐出される。吐出された水Ｗは周囲の空気と混ざり合いながら膨張弁２４を通過し、空気の断熱膨張による温度低下で固化、つまり氷へと変化する。これにより、吸気通路２に導かれる空気には氷の粒が混ざり合い、吸気温度の低減効果がさらに高まる。コンプレッサ５ａによる圧縮前の空気と湿度が同一の空気を高圧タンク２２から吸気通路２に導くことができるので、吸気の質が安定する利点もある。
【００５７】
本形態においては、導入路２３を介して吸気通路２に導入する空気の流量を一定に設定してもよいし、エンジン１の運転状態、燃焼状態等に応じてその流量を変化させてもよい。加圧空気冷却手段はフィン２５により高圧空気を冷却する例に限らず、例えばエンジン１の冷却水を利用して高圧空気を冷却するといった変形が可能である。コンプレッサ２０は電動式のものでもよい。その場合、車両の運動エネルギを回収してコンプレッサ２０を駆動するための電力を得るようにしてもよい。高圧タンク２２は必須ではなく、コンプレッサ２０にて圧縮された高圧空気を所定の流路に沿って移動させつつフィン２５等を利用して冷却して膨張弁２４に導いてもよい。
【００５８】
［第５の形態］
図９は本発明の第５の形態に係る吸気温度低減装置１０Ｅを示している。本形態の吸気温度低減装置１０Ｅは、図４に示す第２の形態の吸気温度低減装置１０Ｂと、図７に示す第４の形態の吸気温度低減装置１０Ｄとを組み合わせた基本構成を備えている。導入路２３からの空気の導入位置は冷却材回収器１２による冷却材の回収位置よりも下流に設定されている。また、本形態では、図７に示す給水装置２６に代えて、除水手段としての除水装置２７が設けられている。図１０Ａに示すように、除水装置２７は、高圧タンク２２の内部に設けられたフロート２７ａと、そのフロート２７ａをタンク２２の底に向かって押し付けるばね２７ｂとを備えている。フロート２７ａには、タンク２２の底部に設けられたドレン路２２ａを塞ぐ閉鎖軸２７ｃが設けられている。図１０Ａに示すように、タンク２２内の水位が低い段階ではフロート２７ａがばね２７ｂに押されて閉鎖軸２７ｃがドレン路２２ａを塞ぐ位置に保持される。水位が上昇すると、ばね２７ｂの力に抗してフロート２７ａが浮き上がり、それに伴って図１０Ｂに示すように閉鎖軸２７ｃがドレン路２２ａから抜け出る。これにより、ドレン路２２ａが開放されて水Ｗがタンク２２から排出される。つまり、除水装置２７によれば、図１０Ｂに示した状態よりも水位が上昇することがない。
【００５９】
本形態の吸気温度低減装置１０Ｅによれば、高圧タンク２２内で発生する水が、タンク２２から吸気通路２に導入される空気と混ざり合うことなく、ドレン路２２ａからタンク外に適宜に排出される。従って、吸気通路２に導かれる空気の湿度が大気のそれよりも低下する。これにより、燃焼室１ａに吸入される空気の湿度が低下する。エンジン１の熱効率は定圧比熱Ｃｐと定容比熱Ｃｖとの比として与えられる比熱比κ（＝Ｃｐ／Ｃｖ）が大きいほど高くなる。乾き空気の比熱比κは１．４０であるのに対して水蒸気の比熱比κは１．３３であるから、高圧タンク２２から吸気通路２に導かれる空気の湿度を低下させることにより、燃焼室１ａへの吸気の比熱比が増加して熱効率が向上する。また、高圧タンク２２にて発生した水を吸気通路２に導くことなくタンク外に排出しているので、吸気系に水が溜まる不具合を確実に防止することができる。これにより、エンジン１の寿命あるいは安定性を向上させることができる。
【００６０】
本形態において、高圧タンク２２からの空気の導入位置は冷却材回収器１２による冷却材の回収位置よりも下流に限定されず、冷却材回収器１２よりも上流にて冷却された空気を導入してもよい。この場合、吸気通路２に供給された冷却材のみならず、吸気温度の低下に伴う凝縮で発生した水を冷却材回収器１２にて回収することができる。なお、吸気通路２を、冷却材供給器１１及び冷却材回収器１２が設置される第１の経路と、高圧タンク２２からの空気が導入される第２の経路とに分岐し、両経路を合流させて燃焼室１ａに空気を導くようにしてもよい。
【００６１】
本発明は上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施してよい。例えば、冷却材の供給は噴霧式に限らず、適宜の変形が可能である。冷却材の回収は邪魔板を備えた回収器に限定されず、フィルタ等を用いて冷却材を捕捉する構造、冷却材を帯電させて電気的にこれを捕捉する構造などを適宜に採用してよい。冷却材の冷却は空冷式、水冷式などを適宜に選択してよい。吸気通路に供給した水の全量を燃焼室に達するまでに気化させる場合、その水の供給量は適宜の手段で調整してよい。供給量を求める手法も、温度湿度センサ１６及び吸気温度センサ１７による検出値に基づく例に限らず、水蒸気量に相関する各種の物理量の検出値から、供給可能な水量を推定するといった変更が可能である。空気を圧縮し、これを冷却してさらに断熱膨張させて吸気通路に導入する場合においては、空気の圧縮、冷却、膨張に関して各種の機構を用いてよい。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の第１の形態に係る吸気温度低減装置を示す図。
【図２】図１の冷却材供給器１１の一例を示す図。
【図３】図１の吸気温度低減装置を、過給機としてのターボチャージャが設けられた内燃機関に適用した変形例を示す図。
【図４】本発明の第２の形態に係る吸気温度低減装置を示す図。
【図５】本発明の第３の形態に係る吸気温度低減装置を示す図。
【図６】図５の制御装置にて実行される供給水量制御ルーチンを示すフローチャート。
【図７】本発明の第４の形態に係る吸気温度低減装置を示す図。
【図８】図７の給水装置の詳細を示す図。
【図９】本発明の第５の形態に係る吸気温度低減装置を示す図。
【図１０Ａ】図９の除水装置の詳細を示す図。
【図１０Ｂ】図１０Ａの状態から水位が上昇したときの除水装置の動作状態を示す図。
【符号の説明】
【００６３】
１  内燃機関
１ａ  燃焼室
２  吸気通路
３  排気通路
４  外部から熱を受ける区間
５  ターボチャージャ
５Ａ  機械式過給機
５ａ  コンプレッサ
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ  吸気温度低減装置
１１  冷却材供給器（供給手段）
１２  冷却材回収器（回収手段）
１２ｂ  邪魔板
１３  冷却器（冷却手段）
１４  冷凍機（邪魔板冷却手段）
１６  温度湿度センサ
１７  吸気温度センサ
１８  制御装置（供給量制御手段）
２０  コンプレッサ
２１  駆動源
２２  高圧タンク
２３  導入路（冷気導入手段）
２４  膨張弁（膨張手段）
２５  フィン（加圧空気冷却手段）
２６  給水装置（給水手段）
２７  除水装置（除水手段）
Ｃ  冷却材
Ｗ  水
【図１】
2008038756.tif 000004
【図２】
2008038756.tif 000005
【図３】
2008038756.tif 000006
【図４】
2008038756.tif 000007
【図５】
2008038756.tif 000008
【図６】
2008038756.tif 000009
【図７】
2008038756.tif 000010
【図８】
2008038756.tif 000011
【図９】
2008038756.tif 000012
【図１０Ａ】
2008038756.tif 000013
【図１０Ｂ】
2008038756.tif 000014