(57)【要約】【課題】  内燃機関の廃熱を利用して、所定の冷却対象を効率よく冷却可能な内燃機関の冷却装置の提供。【解決手段】  内燃機関１に適用される冷却装置２０は、作動流体が封入される気柱管２１と、気柱管２１の内部に配置された蓄熱器２５および蓄冷器２５０とを有し、蓄熱器２５の両端部間に排ガス循環ラインＬ３を流通するＥＧＲガスを熱源として温度勾配を形成して作動流体を振動させ、かかる作動流体の振動によって蓄冷器２５０の両端部間に形成される温度勾配を利用して冷熱を得る。この冷熱を取り出すための蓄冷用低温熱交換器２７０は、内燃機関１の運転状態に応じて冷却要求が変化するＥＧＲガスを冷却できるように、ＥＧＲガスを熱源として蓄熱器２５を加熱する高温熱交換器２６の下流側で排ガス循環ラインＬ３に組み込まれている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内で燃料と空気との混合気を燃焼させて動力を発生する内燃機関の冷却装置であって、
作動流体が封入される気柱管と、この気柱管の内部に配置された蓄冷手段とを有し、前記内燃機関の廃熱を利用して前記気柱管の内部で作動流体を振動させ、かかる作動流体の振動によって前記蓄冷手段の両端部間に形成される温度勾配を利用して冷熱を発生する熱音響冷凍機を備え、この熱音響冷凍機により、前記内燃機関の運転状態に応じて冷却要求が変化する冷却対象を冷却することを特徴とする内燃機関の冷却装置。
【請求項２】
前記冷却対象は、前記内燃機関の排ガス循環系統を介して吸気系統に還流されるＥＧＲガスであることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の冷却装置。
【請求項３】
前記冷却対象は、前記内燃機関の吸入空気であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の冷却装置。
【請求項４】
前記熱音響冷凍機は、前記気柱管の内部に配置された振動発生用蓄熱手段を更に備え、前記内燃機関の排ガス循環系統を介して吸気系統に還流されるＥＧＲガスを熱源として前記振動発生用蓄熱手段の両端部間に温度勾配を形成し、前記気柱管の内部で作動流体を振動させることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の冷却装置。
【請求項５】
前記熱音響冷凍機は、前記気柱管の内部に配置された振動発生用蓄熱手段を更に備え、前記内燃機関の排気ガスを熱源として前記振動発生用蓄熱手段の両端部間に温度勾配を形成し、前記気柱管の内部で作動流体を振動させることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室内で燃料と空気との混合気を燃焼させて動力を発生する内燃機関の冷却装置に関し、特に、熱音響現象を利用した冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、熱音響現象を利用した冷凍機が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この冷凍機は、気体が封入される配管と、この配管の内部に配置されると共に高温側熱交換器と低温側熱交換器とで挟まれたスタックと、このスタックと非対称の位置に高温側熱交換器および低温側熱交換器と共に配置された蓄冷器とを備える。この冷凍機は、スタックの両端部間に温度勾配を形成することにより、スタックにて気体の自励振動を発生させ、それによって得られる定在波および進行波の伝播により蓄冷器に蓄冷するものである。
【０００３】
また、従来から、熱音響現象を利用して内燃機関の廃熱を回収する装置も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。この装置は、内燃機関の排気浄化用触媒コンバータに接続された共鳴管と、この共鳴管の一端に設けられたスタックと、共鳴管の他端に設けられた冷凍部とを備える。この装置では、触媒コンバータから発せられる熱によりスタックの一端が加熱され、スタックの両端部間に温度勾配が付与される。これにより、スタックにて音波が発生し、音波のエネルギは冷凍部で冷熱へと変換される。そして、冷凍部で得られる冷熱は、排気系統の所定箇所を冷却するために利用される。
【０００４】
【特許文献１】特許第３０１５７８６号公報
【特許文献２】特開２００２−１２２０２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、熱音響現象を利用することにより、内燃機関の排気熱（廃熱）を回収して冷熱を得ることが可能となる。ここで、この種の熱音響冷凍機を内燃機関の冷却装置に適用するに際しては、熱音響冷凍機の冷凍能力と冷却要求とが調和するように、冷却対象を適切に選択する必要がある。
【０００６】
そこで、本発明は、内燃機関の廃熱を利用して、所定の冷却対象を効率よく冷却可能な内燃機関の冷却装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による内燃機関の冷却装置は、燃焼室内で燃料と空気との混合気を燃焼させて動力を発生する内燃機関の冷却装置であって、作動流体が封入される気柱管と、この気柱管の内部に配置された蓄冷手段とを有し、内燃機関の廃熱を利用して気柱管の内部で作動流体を振動させ、かかる作動流体の振動によって蓄冷手段の両端部間に形成される温度勾配を利用して冷熱を発生する熱音響冷凍機を備え、この熱音響冷凍機により、内燃機関の運転状態に応じて冷却要求が変化する冷却対象を冷却することを特徴とする。
【０００８】
この場合、上記冷却対象は、内燃機関の排ガス循環系統を介して吸気系統に還流されるＥＧＲガスであるとよく、内燃機関の吸入空気であってもよい。
【０００９】
すなわち、例えば冷却水温度等により示される内燃機関の温度が高まると内燃機関の廃熱量が増えるので、熱音響冷凍機の冷凍出力も高まる。また、内燃機関のＥＧＲガスや吸入空気は、内燃機関の温度が高いほど冷却の必要性が高まるものである。従って、冷却対象として、内燃機関のＥＧＲガスや吸入空気を選択すれば、熱音響冷凍機の冷凍能力と冷却要求とを調和させながら、これらの冷却対象を内燃機関の廃熱を利用して効率よく冷却することができる。
【００１０】
また、熱音響冷凍機は、気柱管の内部に配置された振動発生用蓄熱手段を更に備え、内燃機関の排ガス循環系統を介して吸気系統に還流されるＥＧＲガスを熱源として振動発生用蓄熱手段の両端部間に温度勾配を形成し、気柱管の内部で作動流体を振動させると好ましい。
【００１１】
このような構成を採用すれば、熱音響冷凍機によって、ＥＧＲガスの熱を効率よく回収しながら、ＥＧＲガスを吸気系統に戻す前に降温させることが可能となる。この場合、振動発生用蓄熱手段に温度勾配を形成するために利用されたＥＧＲガスを更に熱音響冷凍機により冷却すると好ましい。これにより、この冷却装置におけるエネルギ効率を向上させることが可能となる。
【００１２】
更に、熱音響冷凍機は、気柱管の内部に配置された振動発生用蓄熱手段を更に備え、内燃機関の排気ガスを熱源として振動発生用蓄熱手段の両端部間に温度勾配を形成し、気柱管の内部で作動流体を振動させるものであると好ましい。
【００１３】
このような構成を採用すれば、熱音響冷凍機によって、内燃機関の排気熱を効率よく回収することが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、内燃機関の廃熱を利用して、所定の冷却対象を効率よく冷却可能な内燃機関の冷却装置の実現が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
【００１６】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る内燃機関の冷却装置を示す概略構成図である。同図に示されるように、本発明による冷却装置２０は、例えば車両の走行駆動源として用いられる内燃機関１に適用される。まず、冷却装置２０の適用対象である内燃機関１について簡単に説明すると、この内燃機関１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストン４を往復移動させて動力を発生するものである。
【００１７】
燃焼室３の吸気ポートは、吸気マニホールド５に接続され、燃焼室３の排気ポートは、排気マニホールド６に接続されている。また、内燃機関１のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉ、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅ、点火プラグ７およびインジェクタ８が燃焼室３ごとに配設されている。吸気マニホールド５は、サージタンク９に接続されており、サージタンク９には、給気管Ｌ１が接続されている。そして、給気管Ｌ１は、エアクリーナ１０を介して図示されない空気取入口に接続されている。更に、給気管Ｌ１の中途（サージタンク９とエアクリーナ１０との間）には、スロットルバルブ１１が組み込まれている。
【００１８】
一方、排気マニホールド６には、排気管Ｌ２が接続されており、排気管Ｌ２には、触媒装置１２が組み込まれている。また、排気管Ｌ２からは、触媒装置１２よりも上流側に定められた分岐部ＢＰにおいて排ガス循環ライン（排ガス循環系統）Ｌ３が分岐されている。排ガス循環ラインＬ３は、排気ガス（ＥＧＲガス）の還流量を調節するためのＥＧＲ弁１３を中途に有し、その先端は、吸気系統のサージタンク９に接続されている。
【００１９】
本発明の冷却装置２０は、上述のような内燃機関１の排気熱を回収するために用いられる。冷却装置２０は、ステンレス等により円形断面を有するように形成された気柱管２１を有し、この気柱管２１の内部には、窒素、ヘリウム、アルゴン、ヘリウムおよびアルゴンの混合ガスといった作動流体（不活性ガス）が封入される。気柱管２１は、図１に示されるように、概ね矩形ループ状に形成されたループ部２２と、ループ部２２の一つのコーナー部に接続された共鳴部２３とを含む。共鳴部２３は、ループ部２２と概ね同径の円形断面を有する管部２３ａと、管部２３ａの先端に接続された閉鎖端部２３ｂとを含み、共鳴器として機能する。閉鎖端部２３ｂは、管部２３ａの先端から閉鎖端に向かうにつれて徐々に拡径されている。
【００２０】
また、気柱管２１のループ部２２の内部には、蓄熱器（蓄熱手段）２５が配置されている。蓄熱器２５は、配置箇所における気柱管２１の軸方向と平行に延びる狭い流路を複数有する。蓄熱器２５としては、セラミック等からなるハニカム構造体、ステンレス等からなる薄いメッシュを微小間隔で配列したもの、ステンレス等の金属製繊維を集合させた不織布等を採用することができる。この蓄熱器２５の一端側には、高温熱交換器２６が隣接して配置されており、蓄熱器２５の他端側には、低温熱交換器２７が隣接して配置されている。すなわち、蓄熱器２５は、高温熱交換器２６と低温熱交換器２７との間に挟まれた状態で配置される。
【００２１】
高温熱交換器２６を構成する伝熱管は、図１に示されるように、ＥＧＲ弁１３の下流側に位置するように排ガス循環ラインＬ３に組み込まれている。これにより、高温熱交換器２６の伝熱管には、内燃機関１の排ガス循環ラインＬ３を介してサージタンク９（吸気系統）に還流されるＥＧＲガスが供給され、高温熱交換器２６は、ＥＧＲガスを熱源とする。また、低温熱交換器２７を構成する伝熱管は、内燃機関１の冷却系統Ｌ４に組み込まれており、低温熱交換器２７は、冷却系統Ｌ４を流通する冷却水を熱源（冷熱源）とする。冷却系統Ｌ４には、開閉弁１４が含まれており、この開閉弁１４を閉じることにより、低温熱交換器（その伝熱管）２７に対する冷却水の供給を停止することができる。
【００２２】
更に、気柱管２１のループ部２２には、蓄冷器２５０、蓄冷用高温熱交換器２６０および蓄冷用低温熱交換器２７０が配置されている。蓄冷用高温熱交換器２６０は、上述の高温熱交換器２６と隣り合うように配置され、蓄冷用高温熱交換器２６０の伝熱管は、上述の冷却系統Ｌ４に組み込まれている。また、蓄冷用低温熱交換器２７０は、上述の低温熱交換器２７と隣り合うように配置され、蓄冷用低温熱交換器２７０の伝熱管は、高温熱交換器２６よりも下流側において排ガス循環ラインＬ３に組み込まれている。すなわち、分岐部ＢＰで排ガス循環ラインＬ３に流れ込んだ排気ガス（ＥＧＲガス）は、ＥＧＲ弁１３、高温熱交換器２６、蓄冷用低温熱交換器２７０を順番に流通する。
【００２３】
そして、冷却装置２０は、内燃機関１の制御手段として機能する電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）４０により制御される。ＥＣＵ４０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートおよび記憶装置等を含むものである。上述の排ガス循環ラインＬ３のＥＧＲ弁１３や、冷却系統Ｌ４の開閉弁１４等は、それぞれＥＣＵ４０の入出力ポートに接続されており、これらはＥＣＵ４０によって制御される。
【００２４】
さて、上述のように構成される冷却装置２０は、内燃機関１が運転され、燃焼室３からの排気ガス（ＥＧＲガス）が排ガス循環ラインＬ３を介して冷却装置２０の高温熱交換器２６を通過するようになると作動を開始する。この場合、ＥＧＲガスの温度は、最高でおよそ９００℃程度にも達することから、蓄熱器２５の一端部は、高温熱交換器２６を流通するＥＧＲガスによって加熱されて昇温する。これに対して、冷却装置２０の低温熱交換器２７には、比較的低温（内燃機関１の冷間始動直後には概ね大気温度、暖機完了後には概ね８０〜９０℃）の冷却水が供給されるので、蓄熱器２５の他端部は、低温熱交換器２７を流通する冷却水によって冷却される。この結果、蓄熱器２５の両端部間に大きな温度勾配が形成され、これに起因して、作動流体の熱音響自励振動（音波）が発生する。
【００２５】
このようにして発生する作動流体の自励振動（音波）の周波数と共鳴部２３における周波数とが一致することにより、共鳴部２３内には定在波が形成され、ループ部２２内には、低温熱交換器２７から高温熱交換器２６へと進行する進行波が形成される。そして、蓄熱器２５の両端部間に形成される温度勾配に起因してつくり出された進行波により、ループ部２２の蓄冷器２５０の両端部間には、蓄冷用高温熱交換器２６０側が高温となり、蓄冷用低温熱交換器２７０側が低温となるように温度勾配が形成される。
【００２６】
この際、蓄冷器２５０の一端部は、内燃機関１の冷却水を熱源とする蓄冷用高温熱交換器２６０により比較的低温に維持されることから、蓄冷器２５０の他端部および蓄冷用低温熱交換器２７０（その伝熱管）は、上記温度勾配に応じて降温する。この結果、蓄冷器２５０、蓄冷用高温熱交換器２６０および蓄冷用低温熱交換器２７０のユニットは、熱音響冷凍機として作動することになり、高温熱交換器２６を流出した後、蓄冷用低温熱交換器２７０を流通するＥＧＲガスが冷却されることになる。
【００２７】
すなわち、本実施形態では、高温熱交換器２６にてＥＧＲガスの熱が回収されるので、図２において実線で示されるように、高温熱交換器２６を通過することにより、ＥＧＲガスの温度は低下する。そして、ＥＧＲガスは、高温熱交換器２６を通過した後、図２において実線で示されるように、ＥＧＲガスそれ自体の熱を利用して発せられた作動流体の自励振動により駆動される熱音響冷凍機（蓄冷用低温熱交換器２７０）により冷却されて更に降温する。従って、冷却装置２０によれば、高いエネルギ効率のもとで、ＥＧＲガスを良好に冷却することが可能となり、本実施形態のような構成を採用しなかった場合（図２における破線参照）と比較して、サージタンク９に導入されるＥＧＲガスの温度を大幅に低下させることができる。この結果、冷却装置２０を備えた内燃機関１では、各燃焼室３内の温度上昇を抑制することが可能となり、図２に示されるようにＮＯｘの排出量を大幅に低減させることができる。
【００２８】
また、内燃機関１の機関温度（冷却水温度）が高まると内燃機関１の廃熱であるＥＧＲガスの熱量が増えるので、蓄冷器２５０、蓄冷用高温熱交換器２６０および蓄冷用低温熱交換器２７０により構成される熱音響冷凍機の冷凍出力も高まる。そして、内燃機関１のＥＧＲガスは、機関温度が高いほど、冷却の必要性が高まるものである。従って、本実施形態のように、冷却装置２０の冷却対象として内燃機関１のＥＧＲガスを選択すれば、熱音響冷凍機の冷凍能力とＥＧＲガスの冷却要求とを調和させながら、ＥＧＲガスを内燃機関１の廃熱を利用して効率よく冷却することが可能となる。
【００２９】
なお、図３に示される冷却装置２０Ａのように、蓄冷用低温熱交換器２７０の伝熱管のみが排ガス循環ラインＬ３に組み込まれ、高温熱交換器２６の伝熱管が排気管Ｌ２に組み込まれてもよい。この場合、内燃機関１の排気ガスを熱源として蓄熱器２５の両端部間に温度勾配が形成され、それにより、気柱管２１の内部で作動流体が振動することになる。このように構成される冷却装置２０Ａによれば、内燃機関１の排気熱を効率よく回収しながら、ＥＧＲガスをサージタンク９への導入に先立って良好に冷却することが可能となる。なお、図３の冷却装置２０Ａでは、高温熱交換器（その伝熱管）２６の排気ガス入口に排気供給調整弁１５が設けられており、この排気供給調整弁１５を閉鎖することにより、高温熱交換器２６に対する排気ガスの供給を断って冷却装置２０Ａを停止させることができる。
【００３０】
〔第２実施形態〕
以下、図４を参照しながら、本発明の第２実施形態に係る内燃機関の冷却装置について説明する。なお、上述の第１実施形態に関連して説明されたものと同一の要素には同一の参照符号が付され、重複する説明は省略される。
【００３１】
図４の冷却装置２０Ｂは、それぞれ給気管Ｌ１に組み込まれた過給機１７およびインタークーラ１８（例えば空冷式インタークーラ）を有する内燃機関１Ｂに適用されるものである。本実施形態において、高温熱交換器２６の伝熱管は、過給機１７の上流側で排気管Ｌ２に組み込まれており、低温熱交換器２７および蓄冷用高温熱交換器２６０の伝熱管は、それぞれ冷却系統Ｌ４に組み込まれている。一方、蓄冷用低温熱交換器２７０の伝熱管は、インタークーラ１８と吸気マニホールド５との間で給気管Ｌ１に組み込まれている。
【００３２】
上述のように構成される冷却装置２０Ｂでは、高温熱交換器２６を流通する排気ガスと、低温熱交換器２７を流通する冷却水とによって蓄熱器２５の両端部間に大きな温度勾配が形成され、これに起因して、作動流体の熱音響自励振動（音波）が発生する。そして、かかる作動流体の振動によって蓄冷器２５０、蓄冷用高温熱交換器２６０および蓄冷用低温熱交換器２７０のユニットが熱音響冷凍機として作動するので、蓄冷用低温熱交換器２７０にて内燃機関１Ｂの吸入空気が冷却されることになる。このように、冷却装置２０Ｂによって内燃機関１Ｂの吸入空気を冷却することにより、吸入空気の密度を高めることが可能となり、ポンピングロスを低減させて燃費を低減させることができる。また、過給機１７の下流側に蓄冷用低温熱交換器２７０を配置することにより、蓄冷用低温熱交換器２７０を通過する吸入空気の密度が高まるので、吸入空気の冷却効果を向上させることができる。
【００３３】
更に、内燃機関１Ｂの機関温度（冷却水温度）が高まると内燃機関１Ｂの廃熱である排気ガスの熱量が増えるので、蓄冷器２５０、蓄冷用高温熱交換器２６０および蓄冷用低温熱交換器２７０により構成される熱音響冷凍機の冷凍出力も高まる。そして、内燃機関１Ｂの吸入空気は、機関温度が高いほど冷却の必要性が高まるものである。従って、本実施形態のように、冷却装置２０Ｂの冷却対象として内燃機関１Ｂの吸入空気を選択すれば、熱音響冷凍機の冷凍能力と吸入空気の冷却要求とを調和させながら、吸入空気を内燃機関１Ｂの廃熱を利用して効率よく冷却することが可能となる。
【００３４】
なお、蓄冷用低温熱交換器２７０は、その伝熱管の周囲を外気が流通可能なものとして構成されると好ましい。これにより、吸入空気の冷却効率をより一層向上させることができる。また、図４の冷却装置２０Ｂは、インタークーラ１８を有していない内燃機関に適用され得ることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る内燃機関の冷却装置を示す概略構成図である。
【図２】図１の冷却装置によるＥＧＲガスの冷却特性を示すグラフである。
【図３】本発明の第１実施形態に係る内燃機関の冷却装置の変形例を示す概略構成図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る内燃機関の冷却装置を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００３６】
１，１Ｂ  内燃機関
３  燃焼室
１３  ＥＧＲ弁
１７  過給機
１８  インタークーラ
２０，２０Ａ，２０Ｂ  冷却装置
２１  気柱管
２２  ループ部
２３  共鳴部
２５  蓄熱器
２６  高温熱交換器
２７  低温熱交換器
２５０  蓄冷器
２６０  蓄冷用高温熱交換器
２７０  蓄冷用低温熱交換器
４０  ＥＣＵ
ＢＰ  分岐部
Ｌ１  給気管
Ｌ２  排気管
Ｌ３  排ガス循環ライン
Ｌ４  冷却系統
【図１】
2005233485.tif 000003
【図２】
2005233485.tif 000004
【図３】
2005233485.tif 000005
【図４】
2005233485.tif 000006