(57)【要約】【課題】  要求に応じて速やかに停止させることができる熱音響エンジンの提供を目的とする。【解決手段】  熱音響エンジン２０は、作動流体が封入される気柱管２１、共鳴部２３および気柱管２１内に配置された蓄熱器２５を有し、蓄熱器２５の両端部間に温度勾配を形成して作動流体の熱音響自励振動を発生させる。気柱管２１のループ部２２には、可動絞り弁２８が配置されている。可動絞り弁２８を閉じることにより、主として、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遮断され、それにより、気柱管２１内の熱音響自励振動が確実かつ速やかに減衰・消失させられ、熱音響エンジン２０の動作が停止する。【選択図】  図１
2005351223.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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熱手段とを有し、前記蓄熱手段の両端部間に温度勾配を形成して前記作動流体の熱音響自励振動を発生させる熱音響エンジンにおいて、
前記蓄熱手段の両端部間に形成される温度勾配にかかわらず、前記熱音響自励振動を停止させる振動停止手段を備えることを特徴とする熱音響エンジン。
【請求項２】
前記振動停止手段は、前記気柱管内における振動の伝播を遮るための部材を含むことを特徴とする請求項１に記載の熱音響エンジン。
【請求項３】
前記振動停止手段は、前記気柱管内の振動を吸収する手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の熱音響エンジン。
【請求項４】
前記振動停止手段は、前記気柱管内の作動流体の圧力を減少させることを特徴とする請求項１に記載の熱音響エンジン。
【請求項５】
共鳴器を更に備え、前記振動停止手段は、前記共鳴器における共振周波数を変化させることを特徴とする請求項１に記載の熱音響エンジン。
【請求項６】
前記蓄熱手段の一端側に配置される高温熱交換器を更に備え、この高温熱交換器は、内燃機関の排気ガスを熱源とすることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の熱音響エンジン。
【請求項７】
前記内燃機関は、排気ガスを浄化するための排気浄化触媒を更に含み、前記排気浄化触媒を暖機する必要がある場合に、前記振動停止手段を作動させる手段を更に備えることを特徴とする請求項６に記載の熱音響エンジン。
【請求項８】
前記内燃機関および熱音響エンジンの少なくとも何れかの異常を検出する異常検出手段と、この異常検出手段によって異常が検出された際に、前記振動停止手段を作動させる手段とを更に備えることを特徴とする請求項６または７に記載の熱音響エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気柱管内に配置された蓄熱手段の両端部間に温度勾配を形成し、気柱管内の作動流体の熱音響自励振動を発生させる熱音響エンジンに関する。
【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排気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トランスデューサとを備える。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、音波のエネルギはトランスデューサによって電気エネルギに変換される。
【０００４】
更に、従来から、ループ管内の蓄熱部の両端部間に温度勾配を形成して当該ループ管内の気体に圧力振動を生じさせ、圧力振動によって生じた進行波に応じて発電を行う熱音響発電機も提案されている（例えば、特許文献３参照。）。この熱音響発電機は、リニアモータとピストンシリンダとを備えたスタータ兼発電機を有している。スタータ兼発電機は、熱音響発電機の起動時にスタータモータとして機能し、ピストンシリンダを往復移動させて任意の周波数で気体に圧力振動を与えて、ループ管内で気体の自励発振を生じさせる。そして、ループ管内で自励発振による圧力振動が生じると、スタータ兼発電機は、圧力振動によって生じた進行波に応じて発電を行う発電機として機能する。
【０００５】
【特許文献１】特許第３０１５７８６号公報
【特許文献２】特開２００２−１２２０２０号公報
【特許文献３】特開２００３―３２４９３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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）を回収することが可能となる。その一方で、触媒コンバータの熱を利用してスタックの両端部間に温度勾配を付与する（触媒コンバータによりスタックを直接加熱する）装置では、触媒コンバータの暖機が充分になされていない場合であっても、触媒コンバータの熱がスタックに与えられてしまい、触媒コンバータを速やかに暖機し得なくなるおそれもある。このような場合、本来、冷熱の利用側や内燃機関側の要求等に応じて熱音響現象の利用を強制的に停止させるべきであるが、触媒コンバータとスタックとが実質的に接続されていると、スタックの両端部間に対する温度勾配の付与を停止させることは困難である。また、スタックの加熱を停止させることができたとしても、この場合、温度勾配が瞬時に小さくなるわけではないので、熱音響現象の利用を完全に停止させるまでに時間を要してしまう。
【０００７】
そこで、本発明は、要求に応じて速やかに停止させることができる熱音響エンジンの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による熱音響エンジンは、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熱手段とを有し、当該蓄熱手段の両端部間に温度勾配を形成して作動流体の熱音響自励振動を発生させる熱音響エンジンにおいて、蓄熱手段の両端部間に形成される温度勾配にかかわらず、熱音響自励振動を停止させる振動停止手段を備えることを特徴とする。
【０００９】
この熱音響エンジンでは、その動作を停止させる要求がある際に、蓄熱手段の両端部間に形成される温度勾配にかかわらず、振動停止手段によって気柱管内の熱音響自励振動が強制的に停止させられる。これにより、蓄熱手段に対する温度勾配の付与を停止させる場合と比較して、早期に熱音響エンジンを停止させることが可能となる。また、蓄熱手段に対する温度勾配の付与を停止させることができない場合であっても、熱音響自励振動自体を停止させれば、蓄熱手段では熱エネルギから振動エネルギへの変換が行われなくなる。従って、この熱音響エンジンを停止させた場合（熱音響自励振動を強制的に停止させた後）には、蓄熱手段を加熱するための熱源の熱エネルギは殆ど失われないことになるので、熱エネルギから振動エネルギへの変換に用いられなかった熱エネルギを他の用途に転用することが可能となる。
【００１０】
本発明の熱音響エンジンにおいて、振動停止手段は、気柱管内における振動の伝播を遮るための部材を含むものであると好ましい。また、振動停止手段は、気柱管内の振動を吸収する手段を含むものであってもよい。更に、振動停止手段は、気柱管内の作動流体の圧力を減少させるものであってもよい。また、本発明による熱音響エンジンは、共鳴器を更に備えると好ましく、この場合、振動停止手段は、共鳴器における共振周波数を変化させるものであってもよい。これらの構成の何れかを採用することにより、気柱管内の熱音響自励振動を確実かつ速やかに停止させることが可能となる。
【００１１】
そして、本発明による熱音響エンジンは、蓄熱手段の一端側に配置される高温熱交換器を更に備えると好ましく、この高温熱交換器は、内燃機関の排気ガスを熱源とすると好ましい。
【００１２】
このような構成のもとでも、要求に応じて早期に熱音響エンジンを停止させることが可能となる。そして、蓄熱手段において熱エネルギから振動エネルギへの変換に用いられなかった排気ガスのエネルギを触媒暖機等の他の用途に有効に転用可能となる。
【００１３】
また、内燃機関は、排気ガスを浄化するための排気浄化触媒を更に含み、当該排気浄化触媒を暖機する必要がある場合に、振動停止手段を作動させると好ましい。更に、本発明による熱音響エンジンは、内燃機関および熱音響エンジンの少なくとも何れかの異常を検出する異常検出手段と、この異常検出手段によって異常が検出された際に、振動停止手段を作動させる手段とを更に備えると好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、要求に応じて速やかに停止させることができる熱音響エンジン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、本発明による熱音響エンジンの第１実施形態を示す概略構成図である。同図に示されるように、熱音響エンジン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、熱音響エンジン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。一方、排気マニホールド６は、排気管Ｌ２に接続されており、排気管Ｌ２には、それぞれ排気浄化触媒を含む前段触媒装置１２ａおよび後段触媒装置１２ｂが組み込まれている。
【００１８】
本発明の熱音響エンジン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。熱音響エンジン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おり、閉鎖端部２３ｂの閉鎖端には、音波のエネルギ（音響エネルギ）を電気エネルギに変換するトランスデューサ（音／電気変換手段）２４が配置されている。
【００１９】
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、ステンレスや銅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。
【００２０】
高温熱交換器２６は、内燃機関１の排気ガスを熱源とするものであり、高温熱交換器２６の伝熱管は、内燃機関１の排気管Ｌ２に組み込まれている。本実施形態では、高温熱交換器（その伝熱管）２６は、前段触媒装置１２ａと後段触媒装置１２ｂとの間で排気管Ｌ２に組み込まれているが、前段触媒装置１２ａの上流側に組み込まれてもよい。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Ｌ３に組み込まれており、低温熱交換器２７は、冷却系統Ｌ３を流通する冷却水を熱源（冷熱源）とする。冷却系統Ｌ３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。
【００２１】
また、気柱管２１の内部には、振動停止手段としての可動絞り弁２８が配置されている。本実施形態では、可動絞り弁２８は、ループ部２２のうち、蓄熱器２５を介することなく高温熱交換器２６と低温熱交換器２７とを連通させる領域に配置されている。可動絞り弁２８は、気柱管２１（ループ部２２）をほぼ完全に閉鎖可能な弁体２８ａと、この弁体２８ａを移動させるアクチュエータ（図示省略）とを含むものである。なお、弁体２８ａは、気柱管２１（ループ部２２）を完全に閉鎖可能なものである必要は無く、流体の流れ（振動）をある程度遮ることができるものであればよい。
【００２２】
そして、熱音響エンジン２０は、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を含む。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。上述の冷却系統Ｌ３の開閉弁１４、可動絞り弁２８（アクチュエータ）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。また、熱音響エンジン２０の気柱管２１には、ループ部２２と共鳴部２３との接続部付近に圧力センサ２９が設置されている。圧力センサ２９は、ＥＣＵ４０の入出力ポートに接続されており、気柱管２１内の作動流体の圧力を検出し、検出値を示す信号をＥＣＵ４０に与える。更に、内燃機関１の前段触媒装置１２ａには、触媒温度（触媒床温）を検出する温度センサＴｃが設置されている。温度センサＴｃは、ＥＣＵ４０の入出力ポートに接続されており、温度センサＴｃは、検出値を示す信号をＥＣＵ４０に与える。
【００２３】
上述のように構成される熱音響エンジン２０は、例えば開閉弁１４が開放された状態で内燃機関１が運転され、燃焼室３からの排気ガスが前段触媒装置１２ａを通過した後、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、前段触媒装置１２ａを通過した排気ガスの温度は、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を流通する排気ガスによって加熱されて昇温する。これに対して、熱音響エンジン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。
【００２４】
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における共振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る。また、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、共鳴部２３内に形成される定在波により、閉鎖端部２３ｂに配置されたトランスデューサ２４の振動部が加振される。トランスデューサ２４は、共鳴部２３内の定在波のエネルギ（音響エネルギ）を電気エネルギに変換し、得られた電気エネルギは、図示されないコントローラ等を介して所定の電気負荷に供給される。これにより、本発明の熱音響エンジン２０によれば、内燃機関１の排気熱を効率よく回収して所定の電気負荷のための電力を得ることができる。なお、共鳴部２３にトランスデューサ２４を配置する代わりに、蓄熱器、高温熱交換器および低温熱交換器のユニットをループ部２２に配置し、熱音響エンジン２０によって回収された排気熱のエネルギを利用して当該ユニットを冷凍機として作動させてもよい。
【００２５】
ここで、上述の熱音響エンジン２０では、高温熱交換器２６が排気管Ｌ２に組み込まれているので、基本的には、排気ガスの熱の一部が高温熱交換器２６において奪われることになる。従って、内燃機関１の始動時等には、高温熱交換器２６の下流側において排気ガスの温度が低下することにより、特に後段触媒装置１２ｂの暖機を促進し得なくなるおそれがある。このような場合には、内燃機関１側の要求に応じて熱音響現象の利用を強制的に停止させることが好ましい。また、何らかの理由で気柱管２１の内部圧力が過上昇してしまったり、トランスデューサ２４が故障してしまったりするおそれもあることから、フェールセーフを実現する上でも、熱音響現象の利用を強制停止できるようにしておく必要が生じる。ただし、熱音響エンジン２０では、高温熱交換器２６が排気管Ｌ２に組み込まれているので、内燃機関１が一旦作動すると、蓄熱器２５の両端部間に対する温度勾配の付与を停止させることは困難である。
【００２６】
このような点に鑑みて、熱音響エンジン２０では、ＥＣＵ４０によって図２に示される停止制御ルーチンが所定時間おきに繰り返し実行される。図２に示されるように、本ルーチンの実行タイミングになると、ＥＣＵ４０は、まず、温度センサＴｃからの信号に基づいて、前段触媒装置１２ａにおける触媒温度を求めると共に、求めた触媒温度が所定の閾値以下となっているか否か判定する（Ｓ１０）。当該閾値は、前段触媒装置１２ａおよび後段触媒装置１２ｂを充分に暖機するための下限値として予め定められており、ＥＣＵ４０の記憶装置に格納されている。
【００２７】
Ｓ１０にて前段触媒装置１２ａにおける触媒温度が上記閾値以下であると判断した場合、ＥＣＵ４０は、更に、例えば圧力センサ２９からの信号に基づいて熱音響エンジン２０が稼動中であるか否か（自励振動が発生しているか否か）判定する（Ｓ１２）。そして、熱音響エンジン２０が稼動中であると判断した場合、ＥＣＵ２０は、蓄熱器２５の両端部間に形成される温度勾配にかかわらず、熱音響現象の利用、すなわち、熱音響エンジン２０の動作を強制的かつ速やかに停止させるための即時停止処理を実行する（Ｓ１４）。
【００２８】
すなわち、本実施形態では、ＥＣＵ４０は、弁体２８ａによって気柱管２１のループ部がほぼ完全に遮断されるように可動絞り弁２８を制御する（Ｓ１４）。これにより、主として、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可動絞り弁２８の弁体２８ａによって遮断されることにより、気柱管２１内の熱音響自励振動が確実かつ速やかに減衰・消失させられ、蓄熱器２５の両端部間における温度勾配にかかわらず、熱音響エンジン２０の動作が停止することになる。そして、このように熱音響自励振動自体を停止させることにより、高温熱交換器２６の伝熱管を内燃機関１からの排気ガスが流通したとしても、蓄熱器２５では熱エネルギから振動エネルギへの変換が行われなくなる。
【００２９】
従って、熱音響エンジン２０を停止させた場合（熱音響自励振動を強制的に停止させた後）には、高温熱交換器２６（その伝熱管）の温度が、流入する排気ガスと同程度に保たれ、高温熱交換器２６を通過する排気ガスの熱エネルギは殆ど失われないことになるので、熱エネルギから振動エネルギへの変換に用いられなかった排気ガスの熱エネルギを触媒暖機（特に後段触媒装置１２ｂの暖機）に利用することが可能となる。また、上述のように、可動絞り弁２８によって熱音響自励振動自体を直接遮断して減衰・消失させることにより、蓄熱器２５に対する温度勾配の付与を停止させる場合と比較して、極めて早期に熱音響エンジン２０を停止させることが可能となる。
【００３０】
一方、Ｓ１０にて前段触媒装置１２ａにおける触媒温度が上記閾値を越えていると判断した場合、ＥＣＵ４０は、内燃機関１側、トランスデューサ２４および圧力センサ２９等から異常を示す信号が発せられていないかどうか判定する（Ｓ１６）。Ｓ１６にて何らかの異常を示す信号が発せられていると判断した場合、ＥＣＵ４０は、Ｓ１２にて熱音響エンジン２０が稼動中であるか否か判定し、熱音響エンジン２０が稼動中であると判断した場合には、Ｓ１４の即時停止処理を実行する。これにより、内燃機関１および熱音響エンジン２０の少なくとも何れかにおいて何らかの異常が発生すると、速やかに熱音響エンジン２０が停止させられることになる。なお、Ｓ１２にて熱音響エンジン２０が稼動していないと判断された場合、およびＳ１６にて異常信号が発せられていないと判断された場合には、上述の即時停止処理は実行されず、再度Ｓ１０以降の処理が繰り返し実行される。
【００３１】
〔第２実施形態〕
以下、図３を参照しながら、本発明の第２実施形態に係る熱音響エンジンについて説明する。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。
【００３２】
図３に示される熱音響エンジン２０Ａも、第１実施形態の熱音響エンジン２０等と基本的に同様の構成を有し、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内燃機関１に適用される。そして、本実施形態の熱音響エンジン２０Ａは、上述の可動絞り弁の代わりに、振動停止手段として、気柱管２１内の振動を吸収する手段を含んでいる。
【００３３】
すなわち、気柱管２１（本実施形態では、管部２３ａ）には、短尺の連通管Ｌ４を介して吸音タンク３０が接続されている。吸音タンク３０は、閉空間を画成しており、その内面には、好ましくは、例えば発泡ウレタン等の吸音材３１が貼着される。また、連通管Ｌ４の内部には、開閉弁３２が配置されている。開閉弁３２は、連通管Ｌ４をほぼ完全に閉鎖可能な弁体３２ａと、ＥＣＵ４０によって制御されて弁体３２ａを移動させるアクチュエータ（図示省略）とを含む。開閉弁３２は、通常、連通管Ｌ４をほぼ完全に閉鎖する状態に設定される。
【００３４】
このように構成される熱音響エンジン２０Ａにおいても、図２に示されるものと概ね同様の停止制御ルーチンが実行される。すなわち、本実施形態においても、前段触媒装置１２ａにおける触媒温度が所定の閾値以下であると判断されるか、あるいは、何らかの異常を示す信号が発せられていると判断され、更に熱音響エンジン２０Ａが稼動中である場合に、熱音響エンジン２０Ａの即時停止処理が実行される。本実施形態では、即時停止処理に際して、ＥＣＵ４０は、連通管Ｌ４の開閉弁３２を全閉状態にする。
【００３５】
これにより、気柱管２１内の作動流体の流れが閉鎖端部２３ｂと吸音タンク３０とに分散させられることになるので、気柱管２１内の熱音響自励振動が確実かつ速やかに減衰・消失させられ、蓄熱器２５の両端部間における温度勾配にかかわらず、熱音響エンジン２０Ａの動作が停止することになる。そして、この場合も、熱音響エンジン２０Ａの停止後には、高温熱交換器２６において排気ガスの熱エネルギが殆ど失われないことになるので、熱エネルギから振動エネルギへの変換に用いられなかった排気ガスの熱エネルギを触媒暖機（特に後段触媒装置１２ｂの暖機）に利用することが可能となる。また、上述のように熱音響自励振動自体を減衰・消失させることにより、蓄熱器２５に対する温度勾配の付与を停止させる場合と比較して、早期に熱音響エンジン２０Ａを停止させることが可能となる。
【００３６】
更に、振動停止手段としての吸音タンク３０は、気柱管２１の共鳴部２３から連通管Ｌ４を介して分岐されており、連通管Ｌ４には開閉弁３２が設けられているので、開閉弁３２を閉鎖させれば、吸音タンク３０は気柱管２１（共鳴部２３）からほぼ完全に分離される。従って、熱音響エンジン２０Ａの通常動作中（開閉弁３２が閉鎖されている間）に、吸音タンク３０が気柱管２１内における熱音響自励振動に影響を及ぼすことはない。すなわち、気柱管内の振動を吸収可能な振動停止手段は、熱音響エンジンの通常動作を妨げることがないように配置することができる。
【００３７】
〔第３実施形態〕
以下、図４を参照しながら、本発明の第３実施形態に係る熱音響エンジンについて説明する。なお、上述の第１実施形態等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。
【００３８】
図４に示される熱音響エンジン２０Ｂも、第１実施形態の熱音響エンジン２０等と基本的に同様の構成を有し、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内燃機関１に適用される。そして、本実施形態の熱音響エンジン２０Ｂは、振動停止手段として、気柱管２１内の作動流体の圧力（平均圧力）を変化させる手段を有している。
【００３９】
すなわち、熱音響エンジン２０Ｂの気柱管２１（本実施形態では、管部２３ａ）には、中途にポンプ３５を有する作動流体管Ｌ５を介して作動流体貯留タンク（作動流体貯留手段）３６が接続されている。ポンプ３５は、気柱管２１内の作動流体を吸い込んで作動流体貯留タンク３６内に圧送可能なものである。また、作動流体貯留タンク３６には、中途に開閉弁（ノーマルクローズ）３７を有する作動流体管Ｌ６の一端が接続されており、作動流体管Ｌ６の他端は、気柱管２１（本実施形態では、管部２３ａ）に接続されている。更に、作動流体貯留タンク３６には、その内部の作動流体の圧力を検出するための圧力センサ３８が設置されている。圧力センサ３８は、ＥＣＵ４０の入出力ポートに接続されており、作動流体貯留タンク３６内の作動流体の圧力を検出し、検出値を示す信号をＥＣＵ４０に与える。
【００４０】
作動流体管Ｌ６の開閉弁３７を閉じた状態でポンプ３５を作動させることにより、気柱管２１内の作動流体が作動流体貯留タンク３６内に導入されるので、気柱管２１内の作動流体の平均圧力が低下することになる。また、ポンプ３５により加圧されて比較的高圧となった作動流体を作動流体貯留タンク３６内に貯留させた状態で開閉弁３７を開放することにより、作動流体管Ｌ６を介して高圧の作動流体が気柱管２１の内部に導入（返送）され、これにより、気柱管２１内の作動流体の平均圧力を高めることができる。すなわち、作動流体管Ｌ５，Ｌ６、ポンプ３５、作動流体貯留タンク３６および開閉弁３７等は、気柱管２１内の作動流体の平均圧力を変化させる平均圧力設定手段として機能する。
【００４１】
このように構成される熱音響エンジン２０Ｂにおいても、図２に示されるものと概ね同様の停止制御ルーチンが実行される。すなわち、本実施形態においても、前段触媒装置１２ａにおける触媒温度が所定の閾値以下であると判断されるか、あるいは、何らかの異常を示す信号が発せられていると判断され、更に熱音響エンジン２０Ｂが稼動中である場合に、熱音響エンジン２０Ｂの即時停止処理が実行される。本実施形態では、即時停止処理に際して、ＥＣＵ４０は、圧力センサ２９によって検出される気柱管２１内の作動流体の圧力が所定の閾値を下回るまで（実質的に圧力振幅が認められなくなるまで）、作動流体管Ｌ６の開閉弁３７を閉じた状態でポンプ３５を作動させる。
【００４２】
これにより、気柱管２１内の作動流体が作動流体貯留タンク３６内へと移送されていくので、気柱管２１内の熱音響自励振動が強制的かつ速やかに減衰・消失させられ、蓄熱器２５の両端部間における温度勾配にかかわらず、熱音響エンジン２０Ｂの動作が停止することになる。そして、この場合も、熱音響エンジン２０Ｂの停止後には、高温熱交換器２６において排気ガスの熱エネルギが殆ど失われないことになるので、熱エネルギから振動エネルギへの変換に用いられなかった排気ガスの熱エネルギを触媒暖機（特に後段触媒装置１２ｂの暖機）に利用することが可能となる。また、上述のように、熱音響自励振動自体を減衰・消失させることにより、蓄熱器２５に対する温度勾配の付与を停止させる場合と比較して、早期に熱音響エンジン２０Ｂを停止させることが可能となる。
【００４３】
更に、ポンプ３５を停止させると共に開閉弁３７を閉鎖させることにより、作動流体貯留タンク３６は気柱管２１（共鳴部２３）からほぼ完全に分離されるので、熱音響エンジン２０Ｂの通常動作中に、作動流体貯留タンク３６が気柱管２１内における熱音響自励振動に影響を及ぼすことはない。すなわち、気柱管内の作動流体の圧力を変化させる振動停止手段も、熱音響エンジンの通常動作を妨げることがないように配置することができる。
【００４４】
なお、上述のようにして熱音響エンジン２０Ｂを停止させた場合には、再始動前の適切なタイミングで開閉弁３７を開放させて作動流体貯留タンク３６内の作動流体を気柱管２１内に返送し、気柱管２１内の作動流体の圧力（平均圧力）を所定値に設定しておくことが好ましい。また、気柱管２１内の作動流体の平均圧力と、熱音響自励振動を発生させる際の熱効率や熱音響エンジンの出力（音響出力）とは所定の相関を有していることから、ポンプ３５や開閉弁３７を制御して気柱管２１内の作動流体の平均圧力を目標値に近づけることにより、熱音響エンジン２０Ｂにおいて所望の熱効率や音響出力を得ることも可能である。
【００４５】
〔第４実施形態〕
以下、図５を参照しながら、本発明の第４実施形態に係る熱音響エンジンについて説明する。なお、上述の第１実施形態等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。
【００４６】
図４に示される熱音響エンジン２０Ｃも、第１実施形態の熱音響エンジン２０等と基本的に同様の構成を有し、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内燃機関１に適用される。そして、本実施形態の熱音響エンジン２０Ｃは、振動停止手段として、共鳴部２３における共振周波数（気柱管２１内の作動流体の共振周波数）を変化させる手段を有している。
【００４７】
すなわち、本実施形態の熱音響エンジン２０Ｃでは、共鳴部２３の管部２３ａの先端内部に、管部２３ａの内径よりも小さい外径を有する移動管５１が摺動自在に配置されている。そして、閉鎖端部２３ｂの内部には、移動管５１を管部２３ａと平行に移動させるためのアクチュエータ（流体圧シリンダ）５２が配置されている。アクチュエータ５２は、開閉弁５３を介して図示されない流体源に接続されており、開閉弁５３を操作してアクチュエータ５２を作動させることにより、共鳴部２３の管路長を変化させることができる。すなわち、これらの移動管５１やアクチュエータ５２は、共鳴部２３における共振周波数を変化させることができる周波数設定手段として機能する。
【００４８】
このように構成される熱音響エンジン２０Ｃにおいても、図２に示されるものと概ね同様の停止制御ルーチンが実行される。本実施形態においても、前段触媒装置１２ａにおける触媒温度が所定の閾値以下であると判断されるか、あるいは、何らかの異常を示す信号が発せられていると判断され、更に熱音響エンジン２０Ｃが稼動中である場合に、熱音響エンジン２０Ｃの即時停止処理が実行される。本実施形態では、即時停止処理に際して、ＥＣＵ４０は、作動流体の自励振動の周波数と共鳴部２３における共振周波数とが一致しなくなるようにアクチュエータ５２（開閉弁５３）を制御する。すなわち、即時停止処理に際して、ＥＣＵ４０は、予め定められた手順に従い、共鳴部２３の管路長を急速に長くするか、または、短くするように移動管５１を移動させたり、あるいは、移動管５１を往復移動させたりすることにより、共鳴部２３における共振周波数を急速に変化させる。
【００４９】
これにより、気柱管２１内の熱音響自励振動が確実かつ速やかに減衰・消失させられ、蓄熱器２５の両端部間における温度勾配にかかわらず、熱音響エンジン２０Ｃの動作が停止することになる。そして、この場合も、熱音響エンジン２０Ｃの停止後には、高温熱交換器２６において排気ガスの熱エネルギが殆ど失われないことになるので、熱エネルギから振動エネルギへの変換に用いられなかった排気ガスの熱エネルギを触媒暖機（特に後段触媒装置１２ｂの暖機）に利用することが可能となる。また、上述のようにして、熱音響自励振動自体を減衰・消失させることにより、蓄熱器２５に対する温度勾配の付与を停止させる場合と比較して、早期に熱音響エンジン２０Ｃを停止させることが可能となる。
【００５０】
なお、気柱管２１内の作動流体の共振周波数と、熱音響自励振動を発生させる際の熱効率や熱音響エンジンの出力（音響出力）とは所定の相関を有していることから、移動管５１やアクチュエータ５２を含む周波数設定手段を制御して共振周波数を目標値に近づけることにより、熱音響エンジン２０Ｃにおいて所望の熱効率や音響出力を得ることも可能である。
【００５１】
〔第５実施形態〕
以下、図６を参照しながら、本発明の第５実施形態に係る熱音響エンジンについて説明する。なお、上述の第１実施形態等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。
【００５２】
図６は、本発明の第５実施形態に係る熱音響エンジン２０Ｄの要部を示す概略構成図である。本実施形態の熱音響エンジン２０Ｄも、第１実施形態の熱音響エンジン２０等と基本的に同様の構成を有し、シリンダブロックに形成された燃焼室の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室内でピストンを往復移動させて動力を発生する内燃機関に適用される。熱音響エンジン２０Ｄは、図６に示されるように、前段触媒装置（触媒コンバータ）１２ａに連結された高温熱交換器２６０を有している。
【００５３】
高温熱交換器２６０は、前段触媒装置１２ａから発せられる熱を蓄熱器２５に伝えるための金属等からなる伝熱部材２６１を有する。伝熱部材２６１には、前段触媒装置１２ａと気柱管２１との間に位置するように空間２６２が画成されており、この空間２６２には、通常、ナトリウムや水銀といった液体金属ＬＭで満たされている。また、空間２６２には、配管２６３を介して、ピストン２６４を有するシリンダ２６５が接続されている。ピストン２６４を図６における右向きに移動させれば、伝熱部材２６１の空間２６２の液体金属ＬＭは、図６に示されるように、シリンダ２６５内へと移送される（引き込まれる）。また、ピストン２６４を図中左向きに移動させると、シリンダ２６５内の液体金属ＬＭを伝熱部材２６１の空間２６２に向けて押し出し、空間２６２内を液体金属ＬＭで満たすことができる。なお、伝熱部材２６１の空間２６２には、図６に示されるように、ベント管２６６が接続されている。
【００５４】
このように構成される熱音響エンジン２０Ｄにおいても、図２に示されるものと概ね同様の停止制御ルーチンが実行される。そして、本実施形態においても、前段触媒装置１２ａにおける触媒温度が所定の閾値以下であると判断されるか、あるいは、何らかの異常を示す信号が発せられていると判断され、更に熱音響エンジン２０Ｄが稼動中である場合に、熱音響エンジン２０Ｄの即時停止処理が実行される。本実施形態では、即時停止処理に際して、ピストン２６４が図６における右向きに移動させられ、伝熱部材２６１の空間２６２から液体金属ＬＭの全量が排出させられる。
【００５５】
これにより、伝熱部材２６１の空間２６２が空気で満たされ、前段触媒装置１２ａと蓄熱器２５との間に空気の断熱層が形成される。すなわち、蓄熱器２５の両端部間に対する温度勾配の付与が停止されることから、気柱管２１内の熱音響自励振動も消失し、蓄熱器２５の両端部間における温度勾配にかかわらず、熱音響エンジン２０Ｄの動作が停止することになる。そして、伝熱部材２６１の空間２６２から液体金属ＬＭの全量が排出させられた後には、伝熱部材２６１の空間２６２よりも前段触媒装置１２ａ側の領域は、前段触媒装置１２ａに流入する排気ガスと同程度の温度に保たれるので、高温熱交換器２６０において排気ガスの熱エネルギが殆ど失われないことになる。この結果、熱エネルギから振動エネルギへの変換に用いられなかった排気ガスの熱エネルギを前段触媒装置１２ａや図示されない後段触媒装置１２ｂの暖機に利用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明による熱音響エンジンの第１実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１の熱音響エンジンを停止させる手順を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明による熱音響エンジンの第２実施形態を示す概略構成図である。
【図４】本発明による熱音響エンジンの第３実施形態を示す概略構成図である。
【図５】本発明による熱音響エンジンの第４実施形態を示す概略構成図である。
【図６】本発明による熱音響エンジンの第５実施形態を説明するための概略構成図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  内燃機関
１２ａ  前段触媒装置
１２ｂ  後段触媒装置
２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ  熱音響エンジン
２１  気柱管
２２  ループ部
２３  共鳴部
２４  トランスデューサ
２５  蓄熱器
２６，２６０  高温熱交換器
２７  低温熱交換器
２８  可動絞り弁
３０  吸音タンク
３５  ポンプ
３６  作動流体貯留タンク
５１  移動管
５２  アクチュエータ
２６１  伝熱部材
２６２  空間
２６４  ピストン
２６５  シリンダ
Ｌ２  排気管
ＬＭ  液体金属
Ｔｃ  温度センサ
【図１】
2005351223.tif 000003
【図２】
2005351223.tif 000004
【図３】
2005351223.tif 000005
【図４】
2005351223.tif 000006
【図５】
2005351223.tif 000007
【図６】
2005351223.tif 000008