(57)【要約】【課題】本発明の目的は、排気損失以外から回収した熱により良好に吸気加熱を実現することができる内燃機関の熱回収利用装置を提供する。【解決手段】隔壁を介して燃焼室２に隣接する冷媒室９、１０、１１を具備し、冷媒室内の冷媒の少なくとも一部は、膨張行程中に液相から気相へ相変化し、吸気行程中に気相から液相へ相変化する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
隔壁を介して燃焼室に隣接する冷媒室を具備し、前記冷媒室内の冷媒の少なくとも一部は、膨張行程中に液相から気相へ相変化し、吸気行程中に気相から液相へ相変化することを特徴とする内燃機関の熱回収利用装置。
【請求項２】
前記内燃機関は多気筒内燃機関であり、前記多気筒内燃機関の気筒毎に独立して前記冷媒室が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の熱回収利用装置。
【請求項３】
気筒毎の前記冷媒室には、独立して気相冷媒の圧力調整装置が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の熱回収利用装置。
【請求項４】
低負荷時には高負荷時に比較して、前記圧力調整装置によって少なくとも一つの気筒の前記冷媒室の気相冷媒の圧力を高めることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の熱回収利用装置。
【請求項５】
ノッキングが発生した気筒の前記冷媒室の気相冷媒の圧力を、ノッキングが発生していない気筒の前記冷媒室の気相冷媒の圧力に比較して、前記圧力調整装置によって低下させることを特徴とする請求項３又は４に記載の内燃機関の熱回収利用装置。
【請求項６】
前記内燃機関は圧縮自着火エンジンであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置。
【請求項７】
前記内燃機関の燃料は、少なくともメタノール又はアルコールを含んでいることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置。
【請求項８】
前記冷媒室は大気中への放熱を抑制するための断熱層を有していることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置。
【請求項９】
燃焼室上部の単位面積当たりに隣接する前記冷媒室の容積は、燃焼室下部の前記単位面積当たりに隣接する前記冷媒室の容積より大きいことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置。
【請求項１０】
前記隔壁には前記冷媒室内へ突出する熱交換フィンが形成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置。
【請求項１１】
前記隔壁には前記冷媒室内へ突出する補強リブが形成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置。
【請求項１２】
前記冷媒室内には燃焼室上下方向に延在する熱伝達部材が設けられていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の熱回収利用装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関においては、発生させた燃焼エネルギから様々な損失が発生する。これら損失のうちの排気損失の熱を吸気加熱に利用することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１３３６０９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、排気ガスの熱は、一般的に、機関排気系の触媒装置を暖機して触媒活性化温度に維持するのに使用されており、排気ガスの熱を吸気加熱に利用すると、触媒装置の暖機及び触媒装置の触媒活性化温度への維持が不十分となってしまう。
【０００５】
従って、本発明の目的は、排気損失以外から回収した熱により良好に吸気加熱を実現することができる内燃機関の熱回収利用装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による請求項１に記載の内燃機関の熱回収利用装置は、隔壁を介して燃焼室に隣接する冷媒室を具備し、前記冷媒室内の冷媒の少なくとも一部は、膨張行程中に液相から気相へ相変化し、吸気行程中に気相から液相へ相変化することを特徴とする。
【０００７】
本発明による請求項２に記載の内燃機関の熱回収利用装置は、請求項１に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、前記内燃機関は多気筒内燃機関であり、前記多気筒内燃機関の気筒毎に独立して前記冷媒室が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
本発明による請求項３に記載の内燃機関の熱回収利用装置は、請求項２に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、気筒毎の前記冷媒室には、独立して気相冷媒の圧力調整装置が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
本発明による請求項４に記載の内燃機関の熱回収利用装置は、請求項３に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、低負荷時には高負荷時に比較して、前記圧力調整装置によって少なくとも一つの気筒の前記冷媒室の気相冷媒の圧力を高めることを特徴とする。
【００１０】
本発明による請求項５に記載の内燃機関の熱回収利用装置は、請求項３又は４に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、ノッキングが発生した気筒の前記冷媒室の気相冷媒の圧力を、ノッキングが発生していない気筒の前記冷媒室の気相冷媒の圧力に比較して、前記圧力調整装置によって低下させることを特徴とする。
【００１１】
本発明による請求項６に記載の内燃機関の熱回収利用装置は、請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、前記内燃機関は圧縮自着火エンジンであることを特徴とする。
【００１２】
本発明による請求項７に記載の内燃機関の熱回収利用装置は、請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、前記内燃機関の燃料は、少なくともメタノール又はアルコールを含んでいることを特徴とする。
【００１３】
本発明による請求項８に記載の内燃機関の熱回収利用装置は、請求項１から７のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、前記冷媒室は大気中への放熱を抑制するための断熱層を有していることを特徴とする。
【００１４】
本発明による請求項９に記載の内燃機関の熱回収利用装置は、請求項１から８のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、燃焼室上部の単位面積当たりに隣接する前記冷媒室の容積は、燃焼室下部の前記単位面積当たりに隣接する前記冷媒室の容積より大きいことを特徴とする。
【００１５】
本発明による請求項１０に記載の内燃機関の熱回収利用装置は、請求項１から９のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、前記隔壁には前記冷媒室内へ突出する熱交換フィンが形成されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明による請求項１１に記載の内燃機関の熱回収利用装置は、請求項１から９のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、前記隔壁には前記冷媒室内へ突出する補強リブが形成されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明による請求項１２に記載の内燃機関の熱回収利用装置は、請求項１から１１のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、前記冷媒室内には燃焼室上下方向に延在する熱伝達部材が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明による請求項１に記載の内燃機関の熱回収利用装置によれば、隔壁を介して燃焼室に隣接する冷媒室内の冷媒の少なくとも一部が、燃焼熱の一部を奪って膨張行程中に液相から気相へ相変化し、膨張行程において隔壁温度が過剰に高まることを防止する。こうして、冷媒の気化潜熱により蓄えられた熱は、吸気行程中に気相から液相へ相変化する際に、燃焼室へ放出され、良好な吸気加熱が実現される。
【００１９】
本発明による請求項２に記載の内燃機関の熱回収利用装置によれば、請求項１に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、内燃機関は多気筒内燃機関であり、多気筒内燃機関の気筒毎に冷媒室が設けられているために、気筒毎に膨張行程で蓄えられた熱を吸気行程で吸気加熱に使用することができる。
【００２０】
本発明による請求項３に記載の内燃機関の熱回収利用装置によれば、請求項２に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、気筒毎の冷媒室には、独立して気相冷媒の圧力調整装置が設けられているために、気筒毎に冷媒室の気相冷媒の圧力調整が可能となり、気筒毎に膨張行程において冷媒の気化潜熱により蓄えられる熱量を調整することができる。
【００２１】
本発明による請求項４に記載の内燃機関の熱回収利用装置によれば、請求項３に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、低負荷時には高負荷時に比較して、圧力調整装置によって少なくとも一つの気筒の冷媒室の気相冷媒の圧力を高めるようになっている。それにより、低負荷時において少なくとも一つの気筒では、膨張行程中に気化潜熱により冷媒が蓄える熱量を少なくして燃焼時の冷却損失を小さくすることができ、高負荷時において膨張行程中に気化潜熱により冷媒が蓄える熱量を多くして燃焼時のノッキングの発生を抑制することができる。
【００２２】
本発明による請求項５に記載の内燃機関の熱回収利用装置によれば、請求項３又は４に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、ノッキングが発生した気筒の冷媒室の気相冷媒の圧力を、ノッキングが発生していない気筒の冷媒室の気相冷媒の圧力に比較して、圧力調整装置によって低下させるようになっている。それにより、ノッキングが発生した気筒では、膨張行程中に気化潜熱により冷媒が蓄える熱量を確実に多くして燃焼時のノッキングの発生を防止することができる。
【００２３】
本発明による請求項６に記載の内燃機関の熱回収利用装置は、請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、内燃機関は圧縮自着火エンジンである。圧縮自着火エンジンにおいて、圧縮自着火を確実なものとするためには、吸気温度を高めることが有効であり、本熱回収利用装置によれば、膨張行程中に気化潜熱により冷媒が蓄える熱は、吸気行程中に気相から液相へ相変化する際に、燃焼室へ放出され、良好な吸気加熱を実現することができる。
【００２４】
本発明による請求項７に記載の内燃機関の熱回収利用装置は、請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、内燃機関の燃料は、少なくともメタノール又はアルコールを含んでいる。メタノール及びアルコールは、多量の気化潜熱を必要とし、本熱回収利用装置によれば、膨張行程中に気化潜熱により冷媒が蓄える熱は、吸気行程中に気相から液相へ相変化する際に、燃焼室へ放出され、良好な吸気加熱を実現するために、少なくともメタノール又はアルコールを含む燃料を良好に気化させることができる。
【００２５】
本発明による請求項８に記載の内燃機関の熱回収利用装置によれば、請求項１から７のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、冷媒室は大気中への放熱を抑制するための断熱層を有している。それにより、断熱層によって膨張行程中に冷媒が蓄えた熱の大気中への放熱が抑制され、吸気行程中の良好な吸気加熱を実現することができる。
【００２６】
本発明による請求項９に記載の内燃機関の熱回収利用装置は、請求項１から８のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、燃焼室上部の単位面積当たりに隣接する冷媒室の容積は、燃焼室下部の単位面積当たりに隣接する冷媒室の容積より大きくなっている。膨張行程において、燃焼室上部の単位面積当たりの受熱量は、燃焼室下部の単位面積当たりの受熱量より多く、燃焼室上部では燃焼室下部に比較して冷媒蒸気の泡が多く発生する。冷媒蒸気の泡が一塊となって隔壁近傍に位置するようになると、燃焼室から殆ど熱を奪うことができなくなるために、本熱回収利用装置では、燃焼室上部の単位面積当たりに隣接する冷媒室の容積を、燃焼室下部の単位面積当たりに隣接する冷媒室の容積より大きくし、冷媒蒸気の泡が多く発生する燃焼室上部では、冷媒蒸気の泡が塊となり難くしている。
【００２７】
本発明による請求項１０に記載の内燃機関の熱回収利用装置によれば、請求項１から９のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、隔壁には冷媒室内へ突出する熱交換フィンが形成されているために、冷媒室内の冷媒は、膨張行程において燃焼室から良好に受熱し、吸気行程において燃焼室へ良好に放熱することができる。
【００２８】
本発明による請求項１１に記載の内燃機関の熱回収利用装置によれば、請求項１から９のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、隔壁には冷媒室内へ突出する補強リブが形成されているために、隔壁の厚さを薄くすることができ、冷媒室内の冷媒は、膨張行程において燃焼室から良好に受熱し、吸気行程において燃焼室へ良好に放熱することができる。
【００２９】
本発明による請求項１２に記載の内燃機関の熱回収利用装置は、請求項１から１１のいずれか一項に記載の内燃機関の熱回収利用装置において、冷媒室内には燃焼室上下方向に延在する熱伝達部材が設けられている。膨張行程において、燃焼室上部の単位面積当たりの受熱量は、燃焼室下部の単位面積当たりの受熱量より多くなる。それにより、本熱回収利用装置によれば、熱伝達部材が燃焼室上部の受熱量の一部を燃焼室下部へ熱伝達するために、燃焼室下部の冷媒蒸気の発生を多くして、冷媒全体が気化潜熱によって蓄える熱量を多くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
図１は本発明による熱回収利用装置が取り付けられた内燃機関の概略図である。同図において、１は点火プラグであり、２は燃焼室である。３は吸気弁４を介して燃焼室２へ通じる吸気ポートであり、５は排気弁６を介して燃焼室２へ通じる排気ポートである。吸気ポート２には燃料噴射弁７が配置されている。８はピストンである。
【００３１】
本内燃機関は、ウォータジャケット及びラジエータを有する水冷式ではなく、熱回収利用装置として、シリンダヘッド、シリンダブロック、及び、ピストン８には、隔壁を介して燃焼室２に隣接する冷媒室が設けられている。シリンダヘッドに設けられた第一冷媒室９は、点火プラグ１回りにおいて、二つの吸気ポート３の間と、二つの排気ポート５の間と、吸気ポート３と排気ポートとの間（二箇所）とに延在する四つの閉鎖空間を有している。シリンダブロックに設けられた第二冷媒室１０は環状に燃焼室２を取り囲む閉鎖空間を有している。また、ピストン８に設けられた第三冷媒室１１は、ピストンの図１のＡ−Ａ断面である図２に示すように、中心の円形断面の閉鎖空間と、これを取り囲む三つの環状断面の閉鎖空間とを有している。
【００３２】
各冷媒室９、１０、及び、１１内の冷媒として、メタノール、ブタン、アンモニア、フロン、エタノール、又は、二酸化炭素等が使用可能である。各冷媒室９、１０、及び、１１は、閉鎖空間毎に同一物質の液相冷媒及び気相冷媒により満たされる。特に、シリンダブロックに設けられた第二冷媒室１０は、環状の閉鎖空間に連通する気相室１０ａを有している。
【００３３】
このように構成された本発明による熱回収利用装置によれば、隔壁を介して燃焼室２に隣接する冷媒室９、１０、及び、１１内の液相冷媒の少なくとも一部が、燃焼熱の一部を奪って膨張行程中に液相から気相へ相変化し、膨張行程において燃焼熱により隔壁温度が過剰に高まることを防止する。こうして、冷媒の気化潜熱により蓄えられた熱は、吸気行程中に気相から液相へ相変化する際に、燃焼室へ放出され、良好な吸気加熱を実現することができる。
【００３４】
通常の水冷式又は空冷式では、燃焼熱の一部は最終的に大気中へ放出され、全く回収することができない。また、排気ガスの熱を吸気加熱に利用することが考えられるが、これでは、機関排気系に配置された触媒装置の触媒活性化温度への早期暖機及び触媒活性化温度の維持が難しくなる。
【００３５】
本熱回収利用装置は、内燃機関が多気筒内燃機関の場合には、気筒毎に各冷媒室９、１０、及び、１１が設けられているために、気筒毎に膨張行程で蓄えられた熱を吸気行程で吸気加熱に使用することができる。
【００３６】
図３は、第二冷媒室１０の気相室１０ａ’をシリンダブロックの外側に配置して、気相室１０ａ’に、気相室１０ａ’内の圧力を調整するための圧力調整装置として、上下動するピストン１２を設けた場合を示している。こうして、気筒毎の第二冷媒室１０に、独立して気相冷媒の圧力調整装置１２を設ければ、気筒毎に第二冷媒室の気相冷媒の圧力調整が可能となり、気筒毎に膨張行程において冷媒の気化潜熱により蓄えられる熱量を調整することができる。
【００３７】
すなわち、ピストン１２によって気相室の容積を減少させて、気相室内の気相冷媒の圧力を高くすれば、膨張行程において気化する冷媒の量が少なくなり（気相冷媒の圧力が高いと、少量の冷媒が気化した時に、気相冷媒温度、液相冷媒温度、及び、燃焼室内の温度が等しくなって、これ以上は冷媒が気化しなくなる。）、気化潜熱により蓄えられる熱量を少なくすることができる。また、ピストン１２によって気相室の容積を増大させて、気相室内の気相冷媒の圧力を低くすれば、膨張行程において気化する冷媒の量が多くなり、気化潜熱により蓄えられる熱量を多くすることができる。
【００３８】
例えば、低負荷時には高負荷時に比較して、全ての圧力調整装置１２によって全ての気筒の第二冷媒室１０の気相冷媒の圧力を高めるようにすれば、低負荷時において膨張行程中に気化潜熱により冷媒が蓄える熱量が少なくなって燃焼時の冷却損失を小さくすることができ、高負荷時において膨張行程中に気化潜熱により冷媒が蓄える熱量が多くなって燃焼時のノッキングの発生を抑制することができる。
【００３９】
また、ノッキングが発生した気筒の第二冷媒室１０の気相冷媒の圧力を、ノッキングが発生していない気筒の第二冷媒室１０の気相冷媒の圧力に比較して、圧力調整装置１２によって低下させるようにすれば、ノッキングが発生した気筒において、膨張行程中に気化潜熱により冷媒が蓄える熱量を確実に多くして燃焼時のノッキングの発生を防止することができる。
【００４０】
本熱回収利用装置は、いずれの内燃機関に適用されても前述の効果を得ることができる。特に、圧縮自着火エンジンに適用されれば、圧縮自着火エンジンにおいて、圧縮自着火を確実なものとするためには、吸気温度を高めることが有効であるために、膨張行程中に気化潜熱により冷媒が蓄える熱を効果的に吸気行程の吸気加熱に利用することができる。
【００４１】
また、本熱回収利用装置が適用される内燃機関の燃料が、少なくともメタノール又はアルコールを含んでいる場合には、メタノール及びアルコールは、多量の気化潜熱を必要とするために、膨張行程中に気化潜熱により冷媒が蓄える熱を効果的に吸気行程の吸気加熱に利用して、少なくともメタノール又はアルコールを含む燃料を良好に気化させることができる。
【００４２】
また、図１において、各冷媒室９、１０、及び、１１の燃焼室２とは反対側には、セラミック等の断熱層９１、１０１、及び１１１が設けられている。それにより、これら断熱層によって膨張行程中に冷媒が蓄えた熱の大気中への放熱が抑制され、吸気行程中の良好な吸気加熱を実現することができる。
【００４３】
図４は図１に示す第二冷媒室１０の変形例を示す概略図である。図４において、シリンダヘッド及びピストン８’には冷媒室は設けられていない。シリンダブロックに設けられた冷媒室２０は、燃焼室２とは反対側に断熱層２０１を有し、一様厚さの隔壁を介して、燃焼室上部の単位面積当たりに隣接する容積が、燃焼室下部の単位面積当たりに隣接する容積より径方向に大きくなっている。本変形例においては、冷媒室２０の外側面を切頭円錐形状として、燃焼室上部から燃焼室下部へ単位面積当たりに隣接する冷媒室の容積を徐々に小さくしている。しかしながら、冷媒室２０の外側面に段部を設けて、燃焼室上部の単位面積当たりに隣接する冷媒室の容積を、燃焼室下部の単位面積あたりに隣接する冷媒室の容積より径方向に大きくするようにしても良い。
【００４４】
膨張行程において、燃焼室上部の単位面積当たりの受熱量は、燃焼室下部の単位面積当たりの受熱量より多く、燃焼室上部では燃焼室下部に比較して冷媒蒸気の泡が多く発生する。冷媒蒸気の泡が一塊となって隔壁近傍に位置するようになると、燃焼室から殆ど熱を奪うことができなくなる。それにより、本変形例によれば、燃焼室上部の単位面積当たりに隣接する冷媒室の容積が、燃焼室下部の単位面積当たりに隣接する冷媒室の容積より大きくされ、冷媒蒸気の泡が多く発生する燃焼室上部では、冷媒蒸気の泡が塊となり難くしている。
【００４５】
図５は、図１のＡ−Ａ断面の第二冷媒室１０又は図４のＢ−Ｂ断面の第二冷媒室２０を示す断面図である。図５に示す変形例では、燃焼室２との間の隔壁に、第二冷媒室１０又は２０内へ突出する熱交換フィン１３が形成されている。それにより、第二冷媒室内の冷媒は、膨張行程において燃焼室から良好に受熱し、吸気行程において燃焼室へ良好に放熱することができる。
【００４６】
図６は図５に相当する断面図であり、図６に示す変形例の第二冷媒室は、燃焼室の上下方向に延在する複数の円形断面の縦穴３０から構成される。複数の縦穴３０は、円形断面でなくても任意の断面としても良い。また、複数の縦穴３０は、互いに独立として、それぞれに気相領域を有しても良いが、特定の高さ位置において互いに連通されて図１のような共通の気相室を有するようにしても良い。複数の縦穴３０の外側には図１及び４と同様な断熱層３０１が設けられている。
【００４７】
このように、第二冷媒室が複数の縦穴３０から形成されると、各縦穴３０の間の隔壁３０’は、燃焼室２との間の隔壁３１から環状断面冷媒室（図１及び４の第二冷媒室のような）へ突出する補強リブと考えることができ、すなわち、環状断面の冷媒室が補強リブによって複数の縦穴冷媒室に分割されたと考えることができる。これら複数の補強リブによって燃焼室との間の隔壁３１の厚さを薄くすることができるために、各縦穴状の冷媒室３０内の冷媒は、膨張行程において燃焼室から良好に受熱し、吸気行程において燃焼室へ良好に放熱することができる。また、図２のピストン８の第三冷媒室１１において、円形断面の閉鎖空間と、三つの環状断面の閉鎖空間とを仕切る隔壁１１ａも、補強リブと考えることができ、同様な効果を得ることができる。
【００４８】
図１において、第二冷媒室１０内には燃焼室上下方向に延在する熱伝達部材１４が設けられている。熱伝達部材１４は、銀、アルミニウム、又は、銅等の金属メッシュや金属綿とすることができる。前述したように、膨張行程において、燃焼室上部の単位面積当たりの受熱量は、燃焼室下部の単位面積当たりの受熱量より多くなる。それにより、熱伝達部材１４が燃焼室上部の受熱量の一部を燃焼室下部へ熱伝達し、燃焼室下部の冷媒蒸気の発生を多くして、冷媒全体が気化潜熱によって蓄える熱量を多くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明による熱回収利用装置が取り付けられた内燃機関の概略図である。
【図２】ピストンの図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図１の気相室の変形例を示す図である。
【図４】第二冷媒室の変形例を示す図である。
【図５】第二冷媒室のもう一つの変形例を示す図１のＡ−Ａ断面図又は図４のＢ−Ｂ断面図である。
【図６】第二冷媒室のさらにもう一つの変形例を示す図５に相当する断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
９    第一冷媒室
１０    第二冷媒室
１０ａ，１０ａ’    気相室
１１    第三冷媒室
１２    圧力調整装置
１３    熱交換フィン
３０’    補強リブ
【図１】
2009085077.tif 000003
【図２】
2009085077.tif 000004
【図３】
2009085077.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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