JP2004232483A

JP2004232483A - 蓄熱装置

Info

Publication number: JP2004232483A
Application number: JP2003018877A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Hamada; 伸一浜田; Shinichiro Nokawa; 真一郎能川; Masanori Matsuzaka; 正宣松坂; Toshihiro Takahara; 敏広高原
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Boshoku Corp; Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Boshoku Corp; Denso Corp; Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2003-01-28
Filing date: 2003-01-28
Publication date: 2004-08-19

Abstract

【課題】オイルと冷却水とを効率よく保温貯蔵する。
【解決手段】粘性係数が大きく自然対流が発生し難いエンジンオイルを、上方側にタンク口部３１ａが設けられた第１断熱タンク３１に貯蔵し、粘性係数が小さく自然対流が発生し易い冷却水を、下方側にタンク口部３２ａが設けられた第２断熱タンク３２に貯蔵する。これにより、断熱タンクの放熱部であるタンク口部３１ａ、３２ａと雰囲気との温度差を小さくした状態で貯蔵することができるので、高い保温能力を確保しながら高温のエンジンオイル及び冷却水を貯蔵することができる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、第１流体と前記第１流体より粘性係数が小さい第２流体とを保温貯蔵する蓄熱装置に関するもので、走行用駆動源として内燃機関を備える車両に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
従来は、蓄熱タンクに温水を蓄え、内燃機関が冷えた状態で内燃機関を始動させる、いわゆるコールドスタート時に蓄熱タンクに蓄えられていた温水を内燃機関に供給することにより暖機運転の短縮化を図っている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−７７８３９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、内燃機関は、周知のごとく、燃焼室内に供給された霧化状の燃料を圧縮しながら気化させて、その気化した燃料を爆発燃焼させる際に発生するガスの膨脹圧力を利用して機械的出力を得るものである。
【０００５】
このため、コールドスタート時においては、燃焼室内に供給された燃料が気化し難く、着火燃焼し難いことから、内燃機関が暖まって暖機運転が終了するまでは、燃焼室内に供給する燃料の量を暖機運転終了後に比べて多くして、確実に内燃機関が始動（着火燃焼）するようにしている。
【０００６】
このため、暖機運転終了前においては、燃焼室内に供給する燃料の量を暖機運転終了後に比べて多くしていることに加えて、触媒の温度が活性化温度まで到達していないので、暖機運転中は、暖機運転終了後に比べて排気ガス中に含まれる有害物質が多いという問題がある。
【０００７】
これに対しては、内燃機関を冷却する冷却水を保温貯蔵しておき、暖機運転中には、保温貯蔵された高温の冷却水を内燃機関に循環させることにより、暖機運転時間の短縮を図った発明が知られている。
【０００８】
本発明は、上記点に鑑み、内燃機関に適した従来と異なる新規な蓄熱装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、第１流体と第１流体より粘性係数が小さい第２流体とを保温貯蔵する蓄熱装置であって、上方側に流体の流出入口（３１ａ）が設けられ、第１流体を保温貯蔵する第１断熱容器（３１）と、下方側に流体の流出入口（３２ａ）が設けられ、第２流体を保温貯蔵する第２断熱容器（３２）とを有することを特徴とする。
【００１０】
そして、本発明では、第１流体の粘性係数が第２流体より大きいので、第１断熱容器（３１）の流出入口（３１ａ）近傍の流体温度が、流出入口（３１ａ）から離れた部位の流体温度より低下しても、第１断熱容器（３１）内で自然対流が発生し難い。
【００１１】
このため、第１断熱容器（３１）内の流体は、固体のごとく、放熱部である流出入口（３１ａ）に近い部位ほど温度が低くなるような温度分布を有した状態で保温貯蔵される。
【００１２】
一方、第２流体は、第１流体より粘性係数が小さいので、第２断熱容器（３２）内で自然対流してしまうので、十分な時間が経過すると、流出入口（３２ａ）近傍に温度の低い第２流体が溜まり、流出入口（３２ａ）から遠い上方側に温度の高い第２流体が溜まる。
【００１３】
したがって、本発明のごとく、粘性係数が異なる流体を保温貯蔵する場合には、粘性係数が大きく自然対流が発生し難い流体を上方側に流出入口（３１ａ）が設けられた第１断熱容器（３１）に貯蔵し、粘性係数が小さく自然対流が発生し易い流体を下方側に流出入口（３２ａ）が設けられた第２断熱容器（３２）に貯蔵すれば、断熱容器の放熱部である流出入口（３１ａ、３２ａ）と雰囲気との温度差を小さくした状態で貯蔵することができるので、高い保温能力を確保しながら高温の流体を貯蔵することができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明では、両断熱容器（３１、３２）のうち、比熱の小さい方の流体が貯蔵された断熱容器（３１）が、比熱の大きい方の流体が貯蔵された断熱容器（３１）内に収納されていることを特徴とする。
【００１５】
これにより、冷え易い流体が冷え難い流体により断熱された状態となるので、効率よく保温貯蔵することができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明では、９０℃における第１流体の動粘度は７×１０^−６ｍ^２／ｓ以上であり、かつ、８０℃における第２流体の動粘度は１．５×１０^−６ｍ^２／ｓ以下であることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項４に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の蓄熱装置にて、内燃機関内を潤滑するエンジンオイルと内燃機関を冷却する冷却水とを保温貯蔵する内燃機関用蓄熱装置であって、エンジンオイルは第１断熱容器（３１）にて貯蔵され、冷却水は第２断熱容器（３２）にて貯蔵されることを特徴とするものである。
【００１８】
請求項５に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の蓄熱装置にて、車両自動変速機用オイルと内燃機関を冷却する冷却水とを保温貯蔵する内燃機関用蓄熱装置であって、車両自動変速機用オイルは第１断熱容器（３１）にて貯蔵され、冷却水は第２断熱容器（３２）にて貯蔵されることを特徴とするものである。
【００１９】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係る蓄熱装置を車両用内燃機関の蓄熱装置に適用したものであって、図１はエンジンオイル及び冷却水の循環経路を示す説明図である。
【００２１】
なお、本実施形態に係るエンジン１０はウェットサンプ方式の内燃機関であり、エンジン１０は、吸気弁、排気弁及びカムシャフト１５等が組み付けられた燃焼室を構成するシリンダヘッド１１、ピストンが往復動するシリンダボアが設けられたシリンダブロック１２、クランクシャフト１４を収納するとともにエンジンオイルが溜まるオイルパン１３を構成するクランクケース等からなるである。
【００２２】
そして、エンジンオイルは、クランクシャフト１４から動力を得て稼動するオイルポンプ１６にてオイルパン１３から吸引され、オイルフィルタ１７にて異物が除去された後、メインギャラリー１８等のオイル分配通路を経由してクランクシャフト１４、カムシャフト１５及びピストン等の摺動部に供給される。
【００２３】
また、冷却水は、エンジン１０から動力を得て稼動する水ポンプ１９により、冷却水を冷却するラジエータ２０とエンジン１０との間を循環させられる。なお、ラジエータ２０にて冷却された冷却水は、シリンダブロック１２→シリンダヘッド１１の順でエンジン１０内を循環してラジエータ２０に戻ってくる。
【００２４】
蓄熱装置３０はエンジンオイル及び冷却水を保温貯蔵する断熱容器であり、この蓄熱装置３０は、図２に示すように、エンジンオイルが保温貯蔵される第１断熱タンク３１、冷却水が保温貯蔵される第２断熱タンク３２、両断熱タンク３１、３２を収納して両断熱タンク３１、３２と共に略真空に保たれた断熱部３３ａを構成する外殻タンク３３、及び流体の流出入口が設けられたタンク口部３１ａ、３２ａを閉塞する蓋部３４、３５等からなるものである。
【００２５】
なお、タンク３１〜３３は、耐食性及び断熱性に優れ、かつ、所定の機械的強度を必要とするので、本実施形態ではＳＵＳ３０４等のステンレス系金属を用い、蓋部３４、３５は断熱性に優れた樹脂材を用いている。
【００２６】
また、流入パイプ３４ａはエンジンオイルを第１断熱タンク３１内に流入させる管であり、流出パイプ３４ｂは第１断熱タンク３１内のエンジンオイルを流出させる管であり、両パイプ３４ａ、３４ｂは断熱性に優れた材料（例えば、樹脂材）にて構成されている。
【００２７】
また、流入パイプ３５ａは冷却水を第２断熱タンク３２内に流入させる管であり、流出パイプ３５ｂは第２断熱タンク３２内の冷却水を流出させる管であり、両パイプ３５ａ、３５ｂは断熱性に優れた材料（例えば、樹脂材）にて構成されている。
【００２８】
そして、第１断熱タンク３１のタンク口部３１ａは上方側にて開口し、第２断熱タンク３２のタンク口部３２ａは下方側にて開口しているとともに、第１断熱タンク３１の流出パイプ３４ｂは、第１断熱タンク３１の下方側からエンジンオイルを抽出するように構成され、第２断熱タンク３２の流出パイプ３５ｂは、第２断熱タンク３２の上方側から冷却水を抽出するように構成されている。
【００２９】
なお、図１中、バルブ２１はオイルポンプ１６から吐出したエンジンオイルを蓄熱装置３０に導くオイル通路を開閉する開閉弁であり、オイルポンプ２２は蓄熱装置３０（第１断熱タンク３１）に貯蔵されたエンジンオイルをエンジン１０に供給する電動式のポンプであり、水ポンプ２３は蓄熱装置３０（第２断熱タンク３２）に貯蔵された冷却水をエンジン１０に供給する電動式のポンプである。
【００３０】
バルブ２４は第１断熱タンク３１のオイル流出側のオイル通路を開閉する開閉弁であり、バルブ２５は第２断熱タンク３２の冷却水流出側の冷却水通路を開閉する開閉弁であり、逆止弁２６はオイルポンプ２２からエンジン１０に供給されたエンジンオイルが蓄熱装置３０側に逆流することを防止するための弁である。
【００３１】
なお、冷却水を供給する際の水圧は、エンジンオイルを供給する際の油圧に比べて小さいので、本実施形態では、冷却水側回路の流出側の逆止弁及び流入側通路を開閉する開閉弁を設けていないが、本実施形態はこれに限定されるものではない。
【００３２】
次に、本実施形態に係る車両の特徴的作動を述べる。
【００３３】
冷却水の温度が所定温度（例えば、８０℃）以上となり、エンジンオイルの温度が所定温度（例えば、９０℃）以上となって、エンジン１０の暖機運転が終了したときに、オイルポンプ２２及び水ポンプ２３を所定時間稼動させて蓄熱装置３０内に高温のエンジンオイル及び冷却水を充満させ、所定時間が経過したときに、オイルポンプ２２及び水ポンプ２３を停止させるとともに、バルブ２１、２４、２５を閉じて高温のエンジンオイル及び冷却水を蓄熱装置３０内に保温貯蔵する。
【００３４】
なお、所定時間は、蓄熱装置３０内のエンジンオイル及び冷却水が全て高温のエンジンオイル及び冷却水で満たされる必要な時間、つまり第１断熱タンク３１及び第２断熱タンク３２内の流体を全て入れ替えるのに必要な時間より長い所定の時間である。
【００３５】
そして、コールドスタート時においては、オイルポンプ２２及び水ポンプ２３を所定時間稼動させて高温のエンジンオイル及び冷却水をエンジン１０に供給するとともに、所定時間が経過したときであって、暖機運転が終了していないときには、オイルポンプ２２及び水ポンプ２３を停止して低温のエンジンオイル及び冷却水を暖機運転が終了するまで蓄熱装置３０にて保持する。
【００３６】
これにより、暖機運転を促進することができるので、暖機運転時間を短縮することができ、排気ガス中に含まれる有害物質の総排出量及び消費燃料の量を低減することができる。
【００３７】
次に、本実施形態に係る蓄熱装置３０の特徴を述べる。
【００３８】
高温のエンジンオイル及び冷却水が蓄熱装置３０内に貯蔵された後、エンジン１０が停止すると、蓄熱装置３０に貯蔵されたエンジンオイル及び冷却水の温度は次第に低下していくが、第１断熱タンク３１及び第２断熱タンク３２は断熱容器であるため、雰囲気中に放熱される熱の殆どは、断熱層３３ａが設けられていないタンク口部３１ａ、３２ａから放熱される。
【００３９】
このとき、９０℃におけるエンジンオイルの動粘度は約１０×１０^−６ｍ^２／ｓ以上であることから、タンク口部３１ａ近傍のエンジンオイルの温度が、タンク口部３１ａから離れた部位のエンジンオイルの温度より低下しても、第１断熱タンク３１内で自然対流が発生し難い。
【００４０】
このため、第１断熱タンク３１内のエンジンオイルは、固体のごとく、放熱部であるタンク口部３１ａに近い部位ほど温度が低くなるような温度分布を有した状態で保温貯蔵される。
【００４１】
つまりエンジン１０が停止してから十分な時間が経過すると、タンク口部３１ａの上方側ほどエンジンオイル温度が低く、タンク口部３１ａから遠い第１断熱タンク３１の下方側ほどエンジンオイルの温度が高くなる。
【００４２】
一方、８０℃における冷却水の動粘度は約０．６×１０^−６ｍ^２／ｓ以下であることことから、冷却水は第２断熱タンク３２内で自然対流してしまうので、エンジン１０が停止してから十分な時間が経過すると、タンク口部３２ａ近傍に温度の低い冷却水が溜まり、タンク口部３２ａから遠い上方側に温度の高い冷却水が溜まる。
【００４３】
したがって、本実施形態のごとく、粘性係数が異なる流体を保温貯蔵する場合には、粘性係数が大きく自然対流が発生し難い流体（本実施形態では、エンジンオイル）を、上方側にタンク口部３１ａが設けられた第１断熱タンク３１に貯蔵し、粘性係数が小さく自然対流が発生し易い流体（本実施形態では、冷却水）を、下方側にタンク口部３２ａが設けられた第２断熱タンク３２に貯蔵すれば、断熱タンクの放熱部であるタンク口部３１ａ、３２ａと雰囲気との温度差を小さくした状態で貯蔵することができるので、高い保温能力を確保しながら高温のエンジンオイル及び冷却水を貯蔵することができる。
【００４４】
ところで、エンジンオイルの比熱は約２１００Ｊ／ｋｇ・℃であり、冷却水の比熱は約４０００Ｊ／ｋｇ・℃であることから、第１断熱タンク３１の容積と第２断熱タンク３２の容積とが略等しく、かつ、第１断熱タンク３１の放熱係数と第２断熱タンク３２の放熱係数とが略等しい場合には、エンジンオイルの方が冷却水より早く温度が低下してしまう。
【００４５】
なお、断熱タンクの放熱係数とは、単位温度差における単位時間当たりに放熱される放熱量の度合いを示す係数である。
【００４６】
このため、エンジン１０が停止してから十分な時間が経過すると、冷却水の温度がエンジンオイルの温度より高くなるので、本実施形態のごとく、両断熱タンク３１、３２を近接させれば、温度の高い流体が貯蔵された断熱容器（第２断熱タンク３２）からの輻射熱により、温度の低い流体が貯蔵された断熱容器（第１断熱タンク３１）を保温することができ、蓄熱装置３０の保温能力を高めることができる。
【００４７】
（第２実施形態）
本実施形態は、図３に示すように、比熱の小さい方の流体が貯蔵された断熱容器（この例では、第１断熱タンク３１）を、比熱の大きい方の流体が貯蔵された断熱容器（この例では、第２断熱タンク３２）内に収納したものである。
【００４８】
これにより、冷え難い流体（冷却水）により冷え易い流体（エンジンオイル）が覆われた状態となるので、冷え易い流体が冷え難い流体により断熱された状態となり、エンジンオイル及び冷却水を効率よく保温貯蔵することができる。
【００４９】
（第３実施形態）
上述の実施形態では、エンジン１０内の摺動部を潤滑するエンジンオイルを保温貯蔵する蓄熱装置３０に本発明を適用したが、本発明は、図４に示すように、車両自動変速機４０用のオイル（ＡＴＦ）とエンジン１０を冷却する冷却水とを保温貯蔵する蓄熱装置３０に本発明を適用したものである。
【００５０】
なお、本実施形態は、保温貯蔵する流体をエンジンオイルからＡＴＦに変更したのみで、その他は第１、２実施形態と同じである。
【００５１】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、車両用に本発明を適用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その他の内燃機関装置にも適用することができる。
【００５２】
また、上述の実施形態では、ウェットサンプ方式の内燃機関であったが、本発明はこれに限定されるものでは、ドライサンプ方式の内燃機関にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るオイル及び冷却水の循環経路を示す説明図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る蓄熱装置の説明図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る蓄熱装置の説明図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係るオイル及び冷却水の循環経路を示す説明図である。
【符号の説明】
３０…蓄熱装置、３１…第１断熱タンク（オイル用断熱タンク）、
３２…第２断熱タンク（冷却水用断熱タンク）、３３…外殻タンク、
３３ａ…真空断熱部。

Claims

第１流体と前記第１流体より粘性係数が小さい第２流体とを保温貯蔵する蓄熱装置であって、
上方側に流体の流出入口（３１ａ）が設けられ、前記第１流体を保温貯蔵する第１断熱容器（３１）と、
下方側に流体の流出入口（３２ａ）が設けられ、前記第２流体を保温貯蔵する第２断熱容器（３２）とを有することを特徴とする蓄熱装置。
前記両断熱容器（３１、３２）のうち、比熱の小さい方の流体が貯蔵された断熱容器（３１）が、比熱の大きい方の流体が貯蔵された断熱容器（３２）内に収納されていることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱装置。
９０℃における前記第１流体の動粘度は７×１０^−６ｍ^２／ｓ以上であり、かつ、８０℃における前記第２流体の動粘度は１．５×１０^−６ｍ^２／ｓ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄熱装置。
請求項１ないし３のいずれか１つに記載の蓄熱装置にて、内燃機関内を潤滑するエンジンオイルと前記内燃機関を冷却する冷却水とを保温貯蔵する内燃機関用蓄熱装置であって、
前記エンジンオイルは前記第１断熱容器（３１）にて貯蔵され、前記冷却水は前記第２断熱容器（３２）にて貯蔵されることを特徴とする内燃機関用蓄熱装置。
請求項１ないし３のいずれか１つに記載の蓄熱装置にて、車両自動変速機用オイルと前記内燃機関を冷却する冷却水とを保温貯蔵する内燃機関用蓄熱装置であって、
前記車両自動変速機用オイルは前記第１断熱容器（３１）にて貯蔵され、前記冷却水は前記第２断熱容器（３２）にて貯蔵されることを特徴とする内燃機関用蓄熱装置。