JP2006316775A - 潜熱蓄熱装置及び内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 特に燃料を効果的に昇温させることができ、冷間時の良好なエンジン始動等を確保することができるエンジンの潜熱蓄熱装置を提供することを課題とする。
【解決手段】 潜熱蓄熱装置（２）は、エンジン（１）のコモンレール（３）の周囲に形成され、潜熱蓄熱材（５）を収容した潜熱蓄熱材収容室（４）、この潜熱蓄熱材収容室（４）の周囲に配設され、ウォータジャケット（８ａ）等を循環する冷却水が供給される冷却水通路（６）、この冷却水通路（６）への冷却水の供給を制御する冷却水コントロールバルブ（７）、さらに、潜熱蓄熱材（５）を発核させるトリガー（１３）を備える。冷間始動時は冷却水コントロールバルブ（７）を閉弁し、潜熱蓄熱材（５）を発核させて燃料を加温する。その後は開弁して、昇温した冷却水の熱により潜熱蓄熱材（５）を再び過冷却状態として次回作動時に備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、潜熱蓄熱材の作用により、内燃機関のシリンダ内に供給される燃料を早期に昇温させ、良好なエンジン始動性を確保できる潜熱蓄熱装置に関する。

内燃機関の冷間始動時、内燃機関の各部は早期に暖機が完了することが望ましい。このような事情を背景として、潜熱蓄熱材を用いて冷却水を加温し、この加温された冷却水を内燃機関の各所へ供給して内燃機関の早期暖機を達成しようとする提案が種々なされている。

このような提案としては、例えば、特許文献１に開示されており、特許文献１に開示されたエンジンの予熱装置は、冷間始動時に吸気ポート側ウォータジャケット、蓄熱装置及び電動ポンプを含む第１循環経路を形成し、この第１循環経路に加熱されている冷却水を供給して、吸気ポートを温めるような構成となっている。ここで、蓄熱装置には水酸化バリウム、酢酸ナトリウム、ナフタリン等の化合物を蓄熱材として用い、冷却水を温めるようになっている。

特開平５−２５６１３３号公報

特許文献１で提案されているエンジンの予熱装置は、エンジンの各所へ装着することも可能であると考えられ、エンジンの早期暖機完了に一定の効果が見込めるものであると考えられる。
しかしながら、特許文献１で提案されているエンジンの予熱装置では、蓄熱装置に用いられた蓄熱材による熱を一旦冷却水が受け取り、この熱を受け取った冷却水により吸気ポートやその他の箇所を温める構成となっている、すなわち、吸気ポート、その他の箇所を温めるために冷却水を介在させていることから、熱の授受の度に蓄熱材による熱の利用効率が低下するおそれがある。また、冷却水の流通過程においても熱の喪失が起こり得る。さらに、冷却水自体が温まるまでに時間を要し、一旦エンジンを停止した後に長時間が経過するとエンジン再始動時の暖機効果が低減する問題もある。

そこで、本発明は、特に燃料を効果的に昇温させることができ、冷間時の良好なエンジン始動等を確保することができるエンジンの潜熱蓄熱装置を提供することを課題とする。

かかる課題を解決するための本発明の潜熱蓄熱装置は、内燃機関のシリンダ内に供給される燃料の燃料供給経路の周囲に形成した潜熱蓄熱材収容室と、当該潜熱蓄熱材収容室内に収容される潜熱蓄熱材と、前記潜熱蓄熱材収容室の周囲に配設されると共に、前記内燃機関内を循環する冷却水が供給される冷却水通路と、当該冷却水通路への前記冷却水の供給を制御する冷却水コントロールバルブと、前記潜熱蓄熱材を発核させる発核手段と、を備えたことを特徴とする（請求項１）。このような構成とすれば、冷間時であっても燃料を効率的に昇温させることができる。ここで、内燃機関には、ガソリンを燃料とするガソリンエンジン、軽油を燃料とするディーゼルエンジン等、種々の内燃機関が含まれる。ガソリンエンジンの場合は、例えば、外気温２５℃程度で始動させるときにはインジェクタから噴射される燃料の霧化がよくなり、エミッションの改善も期待できる。また、ディーゼルエンジンの場合は、例えば、極低温時といわれるような過酷な始動条件下においても加温した燃料をシリンダ内に供給することができ、良好な始動性を確保することができる。

このような潜熱蓄熱装置における燃料供給経路は、燃料が流通する経路であれば、デリバリパイプ、インジェクタ等、特に限定されることはない。このため、前記内燃機関を、前記燃料供給経路にコモンレールを含むディーゼルエンジンとし、前記潜熱蓄熱材収容室を前記コモンレールの周囲に形成した構成とすることもできる（請求項２）。

このような本発明の潜熱蓄熱装置では、前記のように潜熱蓄熱材を用いて燃料供給経路内を流通する燃料を直接的に加温する構成としており、このような潜熱蓄熱材としては、従来周知の潜熱蓄熱材、例えば、酢酸ナトリウム・３水和物等を採用することができる。潜熱蓄熱材は、過冷却状態となっているときに何らかの発核操作を行うことにより、発熱するものであるが、一旦発熱をした後、再び発熱させるためには潜熱蓄熱材に授熱して過冷却状態に戻しておく必要がある。そこで、本発明では、内燃機関が始動し、暖機の進行と共に温度が上昇する冷却水の熱を潜熱蓄熱材に与えるべく、潜熱蓄熱材が収容された潜熱蓄熱材収容室の周囲に冷却水通路が配設された構成としている。

このように、本発明では、発熱後の潜熱蓄熱材を再び過冷却状態とするために昇温した冷却水を用いる構成としているが、内燃機関の始動時において、発核した潜熱蓄熱材の熱が昇温前の冷却水に奪われるのでは効率的な燃料の昇温を図ることができない。そこで、本発明の潜熱蓄熱装置では冷却水コントロールバルブを備えており、この冷却水コントロールバルブは、冷間始動時に閉弁状態とし、その後、前記冷却水通路へ加熱された冷却水を供給すべく開弁状態とする構成としている（請求項３）。

さらに、暖機が完了し、高温となった冷却水の熱が必要以上に燃料や潜熱蓄熱材に授熱されることに起因する弊害を回避すべく、冷却水の温度によって冷却水コントロールバルブの開閉状態を制御する構成とすることもできる（請求項４）。

なお、発核し、発熱した潜熱蓄熱材を再び過冷却状態とするために、別途ヒータ等を装着することも可能である。しかし、冷却水は適温まで昇温して暖機が完了した後は、ラジエータを通じて余剰熱を外部へ放出する。このため、冷却水の熱を利用するようにすれば、ヒータ等を用いたときと比較しても燃費等の向上が見込まれ都合がよい。

また、本発明の潜熱蓄熱装置が備える発核手段は、発核電極や潜熱蓄熱材に対して挿脱される針体等、潜熱蓄熱材を発核させることができるものであればどのようなものでも良く、従来知られている発核手段を用いることができる。

以上説明したような潜熱蓄熱装置を内燃機関に装着すれば本発明の内燃機関を構成することができる（請求項５）。

本発明によれば、内燃機関のシリンダ内に供給される燃料の燃料供給経路の周囲に潜熱蓄熱材を収容した潜熱蓄熱材収容室を形成し、直接的に潜熱蓄熱材の熱により燃料を加温するようにしたので、冷間始動時の良好な始動性等を確保することができる。また、潜熱蓄熱材収容室の周囲に冷却水通路を配設したので、内燃機関の運転により昇温した冷却水から授熱して再び過冷却状態となることができ、次回の始動時に備えることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。本発明における内燃機関は、前記のようにディーゼルエンジンのみならず、ガソリンエンジンも含むものであるが、以下の例では、本発明の内燃機関に相当するディーゼルエンジンに組み込んだ潜熱蓄熱装置について説明する。

図１は、本発明の潜熱蓄熱装置２を組み込んだエンジン１の概略構成を示す模式図である。このエンジン１は、前記のようにディーゼルエンジンであり、コモンレール３を装備している。図２は、図１におけるＡ−Ａ線で断面としたコモンレール３周辺の概略構成を示す模式図である。コモンレール３は、本発明における燃料供給経路に含まれるものである。コモンレール３は、内部に高圧の燃料が充填される管体３ａを有し、この管体３ａには高圧燃料をエンジン１に取り付けられたインジェクタ１０に供給する供給パイプ３ｂが接続されている。また、管体３ａには、温度センサ３ｃと燃料減圧弁３ｄが装着されている。エンジン１は、シリンダブロック８、シリンダヘッド９を備えており、これらには、それぞれウォータジャケット８ａ、９ａが形成されている。

コモンレール３を構成する管体３ａの周囲には、この管体３ａを覆うように潜熱蓄熱材収容室４が形成されている。この潜熱蓄熱材収容室４には潜熱蓄熱材５が収容されている。この潜熱蓄熱材５は、酢酸ナトリウム・３水和物である。酢酸ナトリウム・３水和物は、融点がおよそ５８℃であり、−２０℃〜−３０℃程度まで過冷却状態を維持することができる。このため、一般的な外気温、すなわち、通常の冷間始動時の外気温では過冷却状態となっており、その潜熱をエンジン始動時の暖機に利用することができる。

コモンレール３の管体３ａを覆うように形成された潜熱蓄熱材収容室４の周囲には、さらに冷却水通路６が配設されている。すなわち、管体３ａ、潜熱蓄熱材収容室４、冷却水通路６は、内側からこの順に配置された三重管を構成している。冷却水通路６は、第一冷却水パイプ１１を介してシリンダブロック８に形成されたウォータジャケット８ａに接続されると共に、第二冷却水パイプ１２を介してシリンダヘッド９に形成されたウォータジャケット９ａと接続されて、エンジン１内を循環する冷却水が流通できるようになっている。このような第一冷却水パイプ１１には、冷却水コントロールバルブ７が装着されており、冷却水通路６への冷却水の供給が制御されている。

前記のように潜熱蓄熱材収容室４内には潜熱蓄熱材５が収容されているが、潜熱蓄熱材収容室４内には潜熱蓄熱材５を発核させ、発熱させるためのトリガー１３が設置されている。このトリガー１３は、本発明における発核手段に相当するものであり、電圧を印加することによって潜熱蓄熱材５を発核させる発核電極である。

以上説明した構成要素のうち、コモンレール３、潜熱蓄熱材収容室４、潜熱蓄熱材５、冷却水通路６、冷却水コントロールバルブ７、トリガー１３によって本発明の潜熱蓄熱装置２が構成されるが、これらの構成要素のうち、冷却水コントロールバルブ７、トリガー１３にはＥＣＵ１４が接続されている。このＥＣＵ１４は、イグニッション１５と接続されており、さらに、コモンレール３が備える温度センサ３ｃと接続されている。

以上説明したようにエンジン１に組み込まれた潜熱蓄熱装置２の動作につき、順を追って説明する。

まず、運転者がイグニッション１５をＯＮとすると、そのＯＮ情報がＥＣＵ１４に送られる。ＥＣＵ１４はイグニッションのＯＮ情報を受け取ると温度センサ３ｃからのデータに基づいて、エンジン１が潜熱蓄熱装置２を作動させることが必要である状態であるか否かの判断を行う。具体的には、温度センサ３ｃにより取得した温度がＴ１以下であるか否かの判断を行う。この判断において、取得したデータがＴ１以下であり、エンジン１の暖機が完了しておらず、エンジン１の良好な始動性を得るためには潜熱蓄熱装置２の作動が必要と判断されたときは、ＥＣＵ１４は、トリガー１３に発核指令を行う。これは、本来であれば、潜熱蓄熱装置２の作動が必要となる外気温である場合であっても、直前にエンジン１が作動状態であって、再度の始動である場合等、既に暖機が完了しているような状況では潜熱蓄熱装置２は作動させない趣旨である。

ＥＣＵ１４による発核指令に基づいてトリガー１３に電圧が印加されると、図３に矢示１６で示すように発核現象が徐々に過冷却状態の潜熱蓄熱材５全体に伝播して潜熱蓄熱材５が発熱し、その熱は、矢示１７で示すようにコモンレール３の管体３ａ内の燃料に伝達される。管体３ａ内で加温された燃料は各供給パイプ３ｂを通じてインジェクタ１０に送られ、エンジン１のシリンダ内に向かって噴射、供給される。このような加温効果は冷却水の昇温を待つことなく得ることができるため、迅速な燃料の加温が可能であり、これにより、極冷間時であっても、エンジン１の良好な始動性を確保することができる。また、ウォータジャケット８ａや９ａにおいて昇温した冷却水を利用する構成とは異なり、冷却水が流通する間の温度低下も問題とはならない。

このようにトリガー１３に電圧が印加され、潜熱蓄熱材５が発核し、発熱している間、ＥＣＵ１４は、冷却水コントロールバルブ７を閉弁状態とする制御を行っている。これは、冷却水コントロールバルブ７を開弁状態としてしまうと、未だ低温状態の冷却水がウォータジャケット８ａ、９ａ、冷却水通路６を循環し、潜熱蓄熱材５による熱を奪い、持ち去ってしまうため、これを回避するためである。これにより、暖機効率の低下を回避することができる。

以上のような動作が行われている間、ＥＣＵ１４は常に温度センサ３による温度データを参照しており、その温度データがＴ２を超えたときに冷却水コントロールバルブ７を開弁状態とする。この温度Ｔ２は当然温度Ｔ１よりも高温である。過冷却状態であった潜熱蓄熱材５は、発核動作により発熱し、固体となっているが、このように温度Ｔ２を超えたときに冷却水コントロールバルブ７を開弁状態とすれば、再び過冷却状態となることができる。すなわち、図４に示すように、固体となっている潜熱蓄熱材５は、冷却水コントロールバルブ７を開弁状態として冷却水通路６に加温された冷却水が流通することにより矢示１８で示すように授熱でき、再び過冷却状態となって、次回作動時に備えることができる。

以上のように冷却水コントロールバルブ７を開弁状態としたＥＣＵ１４は、さらに温度センサ３ｃによる温度データの監視を継続し、温度Ｔ３を超えたときに冷却水コントロールバルブ７を再び閉弁状態とする。これは、必要以上に高温の冷却水を冷却水通路６に流通させ続けるとコモンレール３の管体３ａ内の燃料を必要以上に昇温させることとなるため、これを回避するためである。エンジン１を適切に運転するためには、コモンレール３から供給される燃料量等を適切にコントロールする必要があり、管体３ａ内の燃料の温度が必要以上に上昇してしまうと、コモンレール３から供給される燃料量等のコントロールが困難となるが、冷却水コントロールバルブ７を閉弁状態とすることにより、これを回避することができる。また、潜熱蓄熱材５も必要以上の高温に晒されると性質が変化してしまうおそれがあるが、温度Ｔ３を超えたときの冷却水コントロールバルブ７の閉弁は、このような事態の回避にも繋がる。

上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。例えば、前記実施例では、冷却水通路６を、管体３ａの周囲に形成した潜熱蓄熱材収容室４の周囲に配設した構成としているが、図５に示すような多管式の構成とすることもできる。図５における（ａ）は、冷却水通路を複数の管体２１から構成したコモンレール３の周囲の概略を示した模式図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＢ−Ｂ線で断面とした模式図である。複数の管体２１は、コモンレール３の管体３ａの周囲に形成された潜熱蓄熱材収容室２０の内部に収容された潜熱蓄熱材５中に点在した構成となっている。このような構成としても、前記実施例と同様の効果を得ることができる。

潜熱蓄熱装置を組み込んだエンジンの概略構成を示す模式図である。 図１におけるＡ−Ａ線で断面としたコモンレール周辺の概略構成を示す模式図である。 潜熱蓄熱材から燃料への熱の伝達の様子を示す模式図である。 冷却水から潜熱蓄熱材への熱の伝達の様子を示す模式図である。 （ａ）は、冷却水通路を複数の管体から構成したコモンレール３の周囲の概略を示した模式図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＢ−Ｂ線で断面とした模式図である。

符号の説明

１ エンジン
２ 潜熱蓄熱装置
３ コモンレール
３ａ 管体
３ｂ 供給パイプ
３ｃ 温度センサ
３ｄ 燃料減圧弁
４、２０ 潜熱蓄熱材収容室
５ 潜熱蓄熱材
６、２１ 冷却水通路
７ 冷却水コントロールバルブ
８ シリンダブロック
９ シリンダヘッド
１０ インジェクタ
１１ 第一冷却水パイプ
１２ 第二冷却水パイプ
１３ トリガー
１４ ＥＣＵ
１５ イグニッション

Claims (5)

1. 内燃機関のシリンダ内に供給される燃料の燃料供給経路の周囲に形成した潜熱蓄熱材収容室と、
   当該潜熱蓄熱材収容室内に収容される潜熱蓄熱材と、
   前記潜熱蓄熱材収容室の周囲に配設されると共に、前記内燃機関内を循環する冷却水が供給される冷却水通路と、
   当該冷却水通路への前記冷却水の供給を制御する冷却水コントロールバルブと、
   前記潜熱蓄熱材を発核させる発核手段と、
   を備えたことを特徴とする潜熱蓄熱装置。
2. 請求項１記載の潜熱蓄熱装置において、
   前記内燃機関は、前記燃料供給経路にコモンレールを含むディーゼルエンジンであり、
   前記潜熱蓄熱材収容室を前記コモンレールの周囲に形成したことを特徴とする潜熱蓄熱装置。
3. 請求項１又は２記載の潜熱蓄熱装置において、
   前記冷却水コントロールバルブは、冷間始動時に閉弁状態とし、その後、前記冷却水通路へ加熱された冷却水を供給すべく開弁状態とすることを特徴とする潜熱蓄熱装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項記載の潜熱蓄熱装置において、
   前記冷却水コントロールバルブは、冷却水の温度によって開閉状態が制御されることを特徴とする潜熱蓄熱装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項記載の潜熱蓄熱装置を搭載したことを特徴とする内燃機関。
   

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