(57)【要約】【課題】内燃機関の過給装置に関し、内燃機関の排気抵抗や軸動力損失を増加させることなく過給を行う。【解決手段】共鳴管２１に、排気通路１２に設けられた加熱器２２、熱を放出する冷却器２３及び、温度勾配を保持する再生器２４を配置した熱音響機関２０と、共鳴管２１に接続された吸入管２５と、共鳴管２１に接続された排出管２６と、吸入管２５に設けられた逆止弁２７と、排出管２６に設けられた逆止弁２８と、排出管２６に設けられると共にコンプレッサ１３ａに回転軸３２を介して連結された補助タービン３１を有する補助駆動モータ３０とを備え、加熱器２２が昇温されて共鳴管２１内に圧力変動が生じると、低圧時に吸入管２５から気体が取り込まれると共に、高圧時に排出管２６に気体が排出され、補助タービン３１が排出管２６内を流れる気体で補助タービン３１を回転させて過給機１３を駆動させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気通路に吸気を圧縮供給するコンプレッサを配置した過給機を有する内燃機関の過給装置であって、
気体が封入される共鳴管に、排気通路に設けられて排気熱を取り込む加熱器、外部に熱を放出させる冷却器及び、該加熱器と該冷却器との間に設けられて温度勾配を保持する再生器を配置した熱音響機関と、
前記共鳴管に接続されて外部から該共鳴管内に気体を取り込む吸入管と、
前記共鳴管に接続されて該共鳴管内の気体を外部に排出する排出管と、
前記吸入管に設けられて気体を前記共鳴管内に取り込む方向にのみ流通させる第１の逆止弁と、
前記排出管に設けられて気体を前記共鳴管内から排出する方向にのみ流通させる第２の逆止弁と、
前記排出管に設けられると共に前記コンプレッサに回転軸を介して連結された第１のタービンを有する過給機駆動手段とを備え、
前記加熱器が排気熱で昇温されて前記共鳴管内に圧力変動が生じると、低圧時に前記吸入管から前記共鳴管内に気体が取り込まれると共に、高圧時に前記共鳴管内から前記排出管に気体が排出され、前記過給機駆動手段が前記排出管内を流れる気体で前記第１のタービンを回転させて前記過給機を駆動させることを特徴とする内燃機関の過給装置。
【請求項２】
前記過給機は、前記排気通路に設けられると共に前記コンプレッサに回転軸で連結された第２のタービンをさらに備え、
前記過給機駆動手段は、前記過給機の駆動をアシストする請求項１に記載の内燃機関の過給装置。
【請求項３】
前記第１のタービンよりも気流上流側に位置する前記排出管に圧力変動を平準化するエアタンクを設けた請求項１又は２に記載の内燃機関の過給装置。
【請求項４】
前記排気管に設けられて該排気管内を流れる気体の流量を調整する流量調整バルブと、
前記内燃機関の運転状態に応じて前記流量調整バルブの開度を制御する制御手段とをさらに備える請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の過給装置。
【請求項５】
前記共鳴管は、前記加熱器と前記冷却器と前記再生器とが設けられるループ状のループ状配管部と、一端を該ループ状配管部に接続された直線状の直線状配管部とを有する請求項１から４の何れかに記載の内燃機関の過給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の過給装置に関し、特に、排気熱を回収して作動する熱音響機関を用いた内燃機関の過給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関においては、排気エネルギーを利用してエンジンに吸気を圧縮供給することで内燃機関の出力を向上させる過給機としてのターボチャージャが知られている。このターボチャージャは、排気通路に設けられたタービンで排気エネルギを回収するとともに、タービンで駆動されるコンプレッサにより過給を行うことで内燃機関の高出力化を図っている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、タービンとコンプレッサとを連結する回転軸に電動モータを設け、排気エネルギーが十分に回収できない運転領域では電動モータを駆動させて電動アシストすることで過給効率を向上させる電動機付ターボチャージャも知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２３０５号公報
【特許文献２】特開２００７−１２７０９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述の過給機においては、タービンの駆動や電動モータへの電力の供給など、内燃機関に負荷をかけた状態で作動するため、実質的な効果は過給機による効果から過給機を駆動させる損失を差し引いた分になる。
【０００６】
そのため、過給機が効率よく作動する運転領域では内燃機関の出力や燃費を向上することができるが、過給機の効率が低下する運転領域では内燃機関の出力や燃費を悪化させる可能性がある。
【０００７】
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、内燃機関の排気抵抗や軸動力損失を増加させることなく過給を行い、内燃機関の出力や燃費を効果的に向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の目的を達成するため、本発明の内燃機関の過給装置は、吸気通路に吸気を圧縮供給するコンプレッサを配置した過給機を有する内燃機関の過給装置であって、気体が封入される共鳴管に、排気通路に設けられて排気熱を取り込む加熱器、外部に熱を放出させる冷却器及び、該加熱器と該冷却器との間に設けられて温度勾配を保持する再生器を配置した熱音響機関と、前記共鳴管に接続されて外部から該共鳴管内に気体を取り込む吸入管と、前記共鳴管に接続されて該共鳴管内の気体を外部に排出する排出管と、前記吸入管に設けられて気体を前記共鳴管内に取り込む方向にのみ流通させる第１の逆止弁と、前記排出管に設けられて気体を前記共鳴管内から排出する方向にのみ流通させる第２の逆止弁と、前記排出管に設けられると共に前記コンプレッサに回転軸を介して連結された第１のタービンを有する過給機駆動手段とを備え、前記加熱器が排気熱で昇温されて前記共鳴管内に圧力変動が生じると、低圧時に前記吸入管から前記共鳴管内に気体が取り込まれると共に、高圧時に前記共鳴管内から前記排出管に気体が排出され、前記過給機駆動手段が前記排出管内を流れる気体で前記第１のタービンを回転させて前記過給機を駆動させることを特徴とする。
【０００９】
また、前記過給機は、前記排気通路に設けられると共に前記コンプレッサに回転軸で連結された第２のタービンをさらに備え、前記過給機駆動手段は、前記過給機の駆動をアシストするものであってもよい。
【００１０】
また、前記第１のタービンよりも気流上流側に位置する前記排出管に圧力変動を平準化するエアタンクを設けてもよい。
【００１１】
また、前記排気管に設けられて該排気管内を流れる気体の流量を調整する流量調整バルブと、前記内燃機関の運転状態に応じて前記流量調整バルブの開度を制御する制御手段とをさらに備えてもよい。
【００１２】
また、前記共鳴管は、前記加熱器と前記冷却器と前記再生器とが設けられるループ状のループ状配管部と、一端を該ループ状配管部に接続された直線状の直線状配管部とを有するものであってもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の内燃機関の過給装置によれば、内燃機関の排気抵抗や軸動力損失を増加させることなく過給を行い、内燃機関の出力や燃費を効果的に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の過給装置を示す模式的な全体構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る内燃機関の過給装置において、熱音響機関の圧力変動による気体の流れを説明する模式的な図である。
【図３】他の実施形態に係る内燃機関の過給装置を示す模式的な全体構成図である。
【図４】他の実施形態に係る内燃機関の過給装置における熱音響機関を示す模式的な構成図である。
【図５】他の実施形態に係る内燃機関の過給装置における熱音響機関を示す模式的な構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図１，２に基づいて、本発明の一実施形態に係る内燃機関の過給装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
【００１６】
図１に示すように、本実施形態に係る内燃機関の過給装置１は、内燃機関としてのディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１０に適用されるもので、吸気通路１１に配置されたコンプレッサ１３ａ及び、排気通路１２に配置されると共にコンプレッサ１３ａに回転軸で連結された主タービン１３ｂを有する過給機１３と、作動流体としての気体が封入された共鳴管２１に加熱器２２と冷却器２３と再生器２４とを配置した熱音響機関２０と、共鳴管２１の一端部に接続された吸入管２５と、共鳴管２１の一端部に接続された排出管２６と、吸入管２５に設けられた吸入用チェックバルブ（第１の逆止弁）２７と、排出管２６に設けられた排出用チェックバルブ（第２の逆止弁）２８と、排出管２６に配置された補助タービン３１を有する過給機駆動手段としての補助駆動モータ３０と、排出管２６に設けられたエアタンク３７と、排出管２６に設けられたコントロールバルブ３８と、制御手段としての電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）４０とを備える。
【００１７】
なお、図１にはエンジン１０の複数気筒のうち一気筒のみを示し、他の気筒については図示を省略している。
【００１８】
吸気通路１１は、エンジン１０の吸気マニホールド１０ａに接続されており、吸気バルブ１５の開閉動作により筒内１０ｃに新気（吸気）を導入させる。この吸気通路１１には、吸気上流側から順に図示しないエアフィルタ、過給機１３のコンプレッサ１３ａ及び、図示しないインタークーラが設けられている。
【００１９】
排気通路１２は、エンジン１０の排気マニホールド１０ｂに接続されており、排気バルブ１６の開閉動作により筒内１０ｃから排気を排出させる。この排気通路１２には、排気上流側から順に過給機１３の主タービン１３ｂ、熱音響機関２０の加熱器２２及び、図示しない排気浄化装置が設けられている。
【００２０】
熱音響機関２０の共鳴管２１は、ループ状のループ状配管部２１ａと、直線状の直線状配管部２１ｂとを有する。ループ状配管部２１ａには、封入された気体に外部からの熱を取り込むフィンを有する加熱器２２、封入された気体から外部に熱を放出させるフィンを有する冷却器２３及び、これら加熱器２２と冷却器２３との間に設けられて温度勾配を保持する再生器２４が設けられている。また、加熱器２２は、排気熱を回収するようにその一部を排気通路１２内に介装されている。
【００２１】
すなわち、本実施形態の熱音響機関２０では、排気温度の上昇により加熱器２２が昇温されて共鳴管２１内に温度勾配が生じると、熱エネルギーの一部は力学的な音波（振動）エネルギーに変換される。その結果、封入された気体に自励振動が引き起こされて、共鳴管２１内に圧力変動が生じるように構成されている。
【００２２】
吸入管２５は共鳴管２１（直線状配管部２１ｂ）の一端部に接続されており、外部から共鳴管２１内に気体を取り込む。また、吸入管２５には、吸入用チェックバルブ２７が設けられている。この吸入用チェックバルブ２７は公知の逆止弁であって、気体を外部から共鳴管２１内に取り込む方向にのみ流通させる。なお、吸入管２５は必ずしも必要ではなく、吸入用チェックバルブ２７を共鳴管２１（直線状配管部２１ｂ）の側面の所定位置に直接取り付けてもよい。
【００２３】
排出管２６は共鳴管２１（直線状配管部２１ｂ）の一端部に接続されており、共鳴管２１内の気体を外部に排出させる。また、排出管２６には、排出用チェックバルブ２８が設けられている。この排出用チェックバルブ２８は公知の逆止弁であって、気体を共鳴管２１内から排出管２６内に排出する方向にのみ流通させる。
【００２４】
すなわち、共鳴管２１内の圧力変動により、共鳴管２１内が低圧状態のときは吸入管２５を介して外気を取り込む一方、共鳴管２１内が高圧状態のときは排出管２６内に共鳴管２１内の気体（取り込まれた外気を含む）を排出するように構成されている。
【００２５】
補助駆動モータ３０は、排出管２６内に設けられた補助タービン３１と、この補助タービン３１と過給機１３のコンプレッサ１３ａとを連結する回転軸３２とを備える。すなわち、本実施形態の補助駆動モータ３０は、排出管２６内を流れる気体で補助タービン３１が回転すると、同軸上のコンプレッサ１３ａを回転させて過給機１３の駆動をアシストするように構成されている。
【００２６】
エアタンク３７は排出管２６に介装されており、排出管２６内に生じる圧力変動を平準化する。コントロールバルブ３８は排出管２６内を流れる気体の流量を調整するもので、ＥＣＵ４０と電気的に接続されている。
【００２７】
ＥＣＵ４０は、エンジン１０の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。この各種制御を行うために、ＥＣＵ４０には、何れも図示しないクランク角度センサ、アクセル開度センサ、車速センサ等の各種センサの出力信号がＡ／Ｄ変換された後に入力される。
【００２８】
また、ＥＣＵ４０は、エンジン１０の運転状態に応じてコントロールバルブ３８のバルブ開度を制御する。より詳しくは、ＥＣＵ４０には、予め実験等により作成したエンジン１０の運転状態と補助タービン３１の回転数との関係を示す図示しない回転数マップ及び、補助タービン３１の回転数とコントロールバルブ３８のバルブ開度との関係を示すバルブ開度マップが記憶されている。ＥＣＵ４０は、回転数マップからエンジン１０の運転状態に応じた回転数を読み取ると共に、この回転数に対応するバルブ開度をバルブ開度マップから読み取る。そして、読み取ったバルブ開度をコントロールバルブ３８に指示信号として出力するように構成されている。これにより、補助タービン３１はエンジン１０の運転状態に応じて回転され、排気エネルギーが低下する運転領域等において補助駆動モータ３０による過給機１３のアシストが実行される。
【００２９】
次に、本実施形態に係る内燃機関の過給装置１による作用効果について説明する。
【００３０】
熱音響機関２０の加熱器２２は排気通路１２内に介装されており、エンジン１０の始動後、排気温度が上昇すると、排気熱はこの加熱器２２のフィンを介して共鳴管２１内に封入された気体に取り込まれる。そして、共鳴管２１内の温度勾配により熱エネルギーの一部が力学的な音波エネルギーに変換されると、封入された気体に自励振動が引き起こされて、共鳴管２１内に圧力変動が生じる。
【００３１】
その結果、共鳴管２１内が低圧になると、図２（ａ）に示すように、外気が吸入管２５を介して共鳴管２１内へと吸入される。この時、排出管２６内の気体は、排出用チェックバルブ２８により、共鳴管２１側への流れ込みが阻止される。一方、共鳴管２１内が高圧になると、図２（ｂ）に示すように、共鳴管２１内の気体は排出用チェックバルブ２８を流通して排出管２６内へと排出される。この時、共鳴管２１内の気体は、吸入用チェックバルブ２７により、外部への流出が阻止される。
【００３２】
すなわち、排気熱で熱音響機関２０を作動させて圧力変動を発生させると共に、この圧力変動により気体を吸入管２５から共鳴管２１を介して排出管２６に排出させる一方向流れが作られる。これにより、補助駆動モータ３０の補助タービン３１が回転されて、同軸上のコンプレッサ１３ａの回転駆動によりエンジン１０に吸気が圧縮供給される。
【００３３】
したがって、本実施形態の内燃機関の過給装置１によれば、エンジン１０の排気抵抗や軸動力損失を増加させることなく、過給機１３の駆動を補助駆動モータ３０でアシストすることが可能となり、エンジン１０の出力や燃費を効果的に向上することができる。
【００３４】
また、排出管２６内を流れる気体は、エアタンク３７で圧力変動が平準化された後に補助駆動モータ３０へと供給される。
【００３５】
したがって、補助駆動モータ３０に供給される気体の流量を一定状態に維持することが可能となり、補助駆動モータ３０の回転駆動を安定化させることができる。
【００３６】
また、補助駆動モータ３０に供給される気体の流量は、エンジン１０の運転状態に応じてコントロールバルブ３８のバルブ開度を制御することで適宜調整される。
【００３７】
したがって、補助駆動モータ３０による過給機１３の駆動をエンジン１０の運転状態に応じて効率よくアシストすることが可能となる。
【００３８】
また、本実施形態の内燃機関の過給装置１によれば、補助駆動モータ３０の駆動に発電機等を備える必要がないため、システム構成を簡略化することが可能となり、装置のコスト低減や信頼性を向上することができる。
【００３９】
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
【００４０】
例えば、上述の実施形態において、補助駆動モータ３０は過給機１３の駆動をアシストするものとして説明したが、図３に示すように、この補助駆動モータ３０を過給機１３のメインの駆動源として構成することもできる。この場合は、排気通路１２に配置された過給機１３の主タービン１３ｂを省略すればよい。
【００４１】
また、図４に示すように、熱音響機関２０として、共鳴管２１が直線状の直線状配管部２１ｂのみを備え、この直線状配管部２１ｂに加熱器２２、冷却器２３及び、再生器２４を配置したものを用いることもできる。さらに、図４に示すように、熱音響機関２０として、共鳴管２１が単一のループを形成するループ状配管部２１ａのみを備え、このループ状配管部２１ａに加熱器２２、冷却器２３及び、再生器２４を配置したものを用いることもできる。これら何れの場合も、上述の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
【００４２】
また、補助駆動モータ３０は、タービン式である必要はなく、例えば容積型のものを適用することも可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１０  エンジン（内燃機関）
１１  吸気通路
１２  排気通路
１３  過給機
１３ａ  コンプレッサ
１３ｂ  主タービン（第２のタービン）
２０  熱音響機関
２１  共鳴管
２１ａ  ループ状配管部
２１ｂ  直線状配管部
２２  加熱器
２３  冷却器
２４  再生器
２５  吸入管
２６  排出管
２７  吸入用チェックバルブ（第１の逆止弁）
２８  排出用チェックバルブ（第２の逆止弁）
３０  補助駆動モータ（過給機駆動手段）
３１  補助タービン（第１のタービン）
３７  エアタンク
３８  コントロールバルブ（流量調整バルブ）
４０  ＥＣＵ（制御手段）
【図１】
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【図３】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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