JP2008256310A - 潜熱蓄熱装置及びエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】極低温時において装置の効率的な作動を実現することのできる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（１）は、内部に蓄熱材（４）が封入され、エンジン（２）のシリンダブロック（３）に形成されたウォータジャケット（５）内に収容される容器（６）、蓄熱材（４）を発核させる発核装置（１１）、この発核装置（１１）を作動させるアクチュエータ（９）、エンジン（２）がおかれた環境の温度を取得する水温センサ（７）を備える。さらに、水温センサ（７）の測温データに基づいてアクチュエータ（９）の動作を制御するＥＣＵ（８）を備える。ＥＣＵ（８）は、測温データが所定値Ｔａ（−２０℃）よりも低いときにアクチュエータ（９）への通電を停止する制御を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンに組み込まれる潜熱蓄熱装置に関する。

冷間始動時のエンジンは、フリクションの低下、燃費向上、出力向上、排気組成の改善を図るため、早期の暖機完了が求められる。特に、シリンダボアやピストン、クランクシャフト等の摺動部を有する構成要素は効率のよい運転を実現するために早期暖機完了が望まれる。通常のエンジンは筒内爆発が開始されるとシリンダブロックやシリンダヘッド等のエンジン構成要素、さらに、これらのエンジン構成要素に形成された油路中を循環するエンジンオイルが温められ、徐々に暖機が進行する。
従来、このようなエンジンの早期暖機完了を達成すべく、シリンダを囲むように形成した蓄熱材収納室に、潜熱型蓄熱材（蓄熱材）を収納した内燃機関の急速暖機装置が提案されている（特許文献１）。このような急速暖機装置は、エンジンの冷間始動時に、過冷却状態となっている蓄熱材に対して電圧印加し、これにより相変化を開始させて潜熱を発生させるように構成されている。

なお、蓄熱材はいわゆる過冷却状態から何らかの刺激を受けることによって液相状態から固相状態への相変化を開始し、この際、潜熱の放熱を行うことが知られている。特許文献１に開示された急速暖機装置は、蓄熱材に対して電圧を印加することによって蓄熱材の相変化を誘発しているが、蓄熱材へ刺激を付与する発核装置をアクチュエータによって作動させて蓄熱材の相変化を開始させる構成も考えられる。

特開平１１−１８２３９３号公報

以上説明したように特許文献１記載の内燃機関の急速暖機装置は、冷間始動直後に直接シリンダ周辺を局部的に昇温することができ、効率よく機関の昇温を図ることができるものである。

しかしながら、エンジンの使用される環境は極低温であることがあり、このような極低温の環境下では蓄熱材に電圧を印加するための装置やアクチュエータが正常に機能することができなくなるおそれがある。このように装置が正常に機能することができないおそれがある環境下で装置に通電することは、装置やバッテリーを消耗させることになりかねない。

そこで、本発明は、極低温時において装置の効率的な作動を実現することのできる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、エンジン暖機の際に昇温対象となる部位の周囲に配置された蓄熱材と、前記蓄熱材を発核させる発核手段と、当該発核手段を作動させるアクチュエータと、前記蓄熱材の温度を取得する測温手段と、当該測温手段の測温データに基づいて前記アクチュエータの動作を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする（請求項１）。このような潜熱蓄熱装置では、前記制御手段は、前記測温データが所定値Ｔａよりも低いときに前記アクチュエータへの通電を停止する制御を行う構成とすることができる（請求項２）。例えば、外気温が−２０℃位の極低温状態となると、アクチュエータを構成するコイルの抵抗が非常に小さくなる。アクチュエータの出力Ｗと電流Ｉ、電圧Ｖ、抵抗Ｒとの間には、
Ｖ＝ＩＲ
Ｗ＝ＩＶ
Ｗ＝Ｉ^２Ｒ
の関係があることから、極低温時にアクチュエータのコイルの抵抗が非常に小さくなると大電流が流れることとなり、バッテリー保護の観点からもアクチュエータに通電することは望ましくない。そこで、本発明の潜熱蓄熱装置では、前記測温データが所定値Ｔａよりも低いときに前記アクチュエータへの通電を停止する制御を行う構成としている。なお、所定値Ｔａは設計事項であり、適宜設定することができる。また、前記測温手段は、水温センサとすることができる（請求項４）。要は、エンジンがおかれている環境の温度（環境温度）を知ることができる手段であればどのようなものであってもよい。例えば、エンジンが水温センサや油温センサ等を備えていれば、これらの水温センサや油温センサを本発明における測温手段として活用し、環境温度を測温する構成とすることができる。このような潜熱蓄熱装置に用いられる潜熱蓄熱材としては、従来周知の蓄熱材、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。また、潜熱蓄熱装置はアクチュエータによって作動し、蓄熱材に対して出没する針体等、従来、周知の発核手段を備えた構成とすることができる。

本発明の潜熱蓄熱装置は、前記のように従来周知の蓄熱材を用いることができるが、蓄熱材は、極低温時には固相状態となっていると考えられる。本発明の潜熱蓄熱装置では、前記制御手段は、前記測定データに基づいて前記蓄熱材が固相状態であると判断されるときに前記アクチュエータへの通電を停止する制御を行う構成とすることもできる（請求項３）。蓄熱材が固相となる温度は用いる蓄熱材によって異なるので、採用した蓄熱材に応じた制御とすることができる。なお、エンジン暖機の際に昇温対象となる部位の周囲は、例えば、シリンダボア壁等、早期暖機完了が望まれる部位を適宜含めることができる。蓄熱材は、例えば、エンジンのシリンダブロックに形成されたウォータジャケット内に収容される容器内に封入した構成とすることができる。

このような潜熱蓄熱装置を従来あるエンジンに組み込めば、本発明のエンジンとすることができる（請求項５）。

本発明によれば、環境温度に応じて発核手段を作動させるアクチュエータの動作を制御するようにしたので、低温によりアクチュエータに大電流が流れるような環境下でのアクチュエータの動作を回避し、装置の損傷を抑制することができる。また、低温により蓄熱材が固相状態となるような極寒環境下で、アクチュエータの動作を回避し、電力の浪費を抑制することができる。

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。

図１は、本発明の潜熱蓄熱装置１を装着したエンジン２の概略構成を示す図であり、（ａ）はシリンダヘッドを取り外した状態のシリンダブロック３をシリンダヘッド装着側から見た図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＸ−Ｘ線断面図である。潜熱蓄熱装置１は、内部に蓄熱材４が封入され、エンジン２のシリンダブロック３に形成されたウォータジャケット５内に収容される容器６と、水温センサ７を備える。この水温センサ７は、本発明における測温手段に相当する。この水温センサ７によりエンジン２がおかれている環境の温度（環境温度）を知ることができる。環境温度を知ることにより、蓄熱材４の状態、すなわち、液相状態であるか固相状態であるかを判別することができる。この水温センサ７は、本発明における制御手段に相当するＥＣＵ（Electronic control unit）８に電気的に接続されている。水温センサ７はシリンダブロック３の上端部に設置されているが、図示しないシリンダヘッドへ装着する構成とすることもできる。

蓄熱材４が封入された容器６は、ウォータジャケット５内のシリンダブロック３のボア側壁３ａ側へ配置し、シリンダブロック外壁３ｂと容器６との間に冷却水を流通させる構成となっている。また、容器６に封入された蓄熱材４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℃程度まで過冷却状態を維持することができる。この潜熱をエンジン２の加温、暖機に利用することができる。このような蓄熱材４は、通常、エンジン始動前（冷間時）は液相の過冷却状態となっている。容器６には、本発明における発核手段に相当する発核装置１１が取り付けられており、アクチュエータ９によって押圧されることによって過冷却状態の蓄熱材４の相変化を誘発する。アクチュエータ９は、所定条件下、イグニッション１２のＯＮ信号に基づくＥＣＵ８による発核指令に基づいて動作を開始し、発核装置１１を作動させて蓄熱材４を発核させ、発熱させるようになっている。

以上のように構成される潜熱蓄熱装置１の動作について図２に示したフロー図を参照しつつ説明する。イグニッション１２がＯＮ状態となると（ステップＳ１）、ＥＣＵ８は、ステップＳ２において水温センサ７による測温データＴを取得する。測温データＴを取得したＥＣＵ８はステップＳ３において測温データＴは−２０℃よりも小さい否かの判断を行う。ここで、−２０℃との値は、本発明における所定値Ｔａに相当する値である。所定値Ｔａは、極低温であるためにアクチュエータ９内のコイルの抵抗が非常に小さくなり、通電により大電流が流れる現象を回避するための基準として予め設定された温度である。また、所定値Ｔａは、これ以下の温度では蓄熱材４は低温により固相状態となっていると考えられる温度として設定されている。この所定値Ｔａ＝−２０℃は、ＥＣＵ８内に予め記憶されている。

ステップＳ３においてＹｅｓと判断されるとき、すなわち、環境温度である測温データＴが−２０℃よりも低いと判断されるときはステップＳ４へ進み、ＥＣＵ８はアクチュエータ９への通電を禁止する。測温データＴが−２０℃よりも低いときは、アクチュエータ９のコイルの抵抗が低下していると考えられることから通電を禁止し、バッテリーを保護する。また、測温データＴが−２０℃よりも低いときには蓄熱材４が固相状態となっており、潜熱を取り出すことができない状態となっていると考えられることから電力の無駄な消費を抑えることができる。これにより、エンジン２のスタータを駆動するための電力を浪費することがない。

一方、ステップＳ３においてＮｏと判断されるとき、環境温度である測温データＴが−２０℃以上であると判断されるときはステップＳ５へ進み、ＥＣＵ８はアクチュエータ９への通電を許可する。測温データＴが−２０℃以上であるときは、蓄熱材４は液相の過冷却状態を維持することができていると考えられることからアクチュエータ９に通電し、発核装置１１を作動させて蓄熱材４の相変化を誘発する。これにより蓄熱材４は潜熱を放出して発熱し、シリンダブロック３を温めることができる。これによりエンジン２の暖機を促進することができる。

以上、説明したように、本発明の潜熱蓄熱装置１によれば、アクチュエータ９に大電流が流れることがなく、また、蓄熱材４による暖機促進が行える環境下においてのみアクチュエータを作動させるようにしたので、バッテリーの電力不足を回避することができる。これにより、バッテリーの大型化等の措置を講ずる必要からも開放される。

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。

実施例の潜熱蓄熱装置を装着したエンジンの概略構成を示す図であり、（ａ）はシリンダヘッドを取り外した状態のシリンダブロックをシリンダヘッド装着側から見た図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＸ−Ｘ線断面図である。 実施例の潜熱蓄熱装置の制御の一例を示すフロー図である。

符号の説明

１ 潜熱蓄熱装置
２ エンジン
３ シリンダブロック
３ａ ボア側壁
３ｂ シリンダブロック外壁
４ 蓄熱材
５ ウォータジャケット
６ 容器
７ 水温センサ
８ ＥＣＵ
９ アクチュエータ
１１ 発核装置
１２ イグニッション

Claims (5)

1. エンジン暖機の際に昇温対象となる部位の周囲に配置された蓄熱材と、
   前記蓄熱材を発核させる発核手段と、
   当該発核手段を作動させるアクチュエータと、
   環境温度を取得する測温手段と、
   当該測温手段の測温データに基づいて前記アクチュエータの動作を制御する制御手段と、
   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、
   前記制御手段は、前記測温データが所定値Ｔａよりも低いときに前記アクチュエータへの通電を停止する制御を行うことを特徴とした潜熱蓄熱装置。
3. 請求項１記載の潜熱蓄熱装置において、
   前記制御手段は、前記測定データに基づいて前記蓄熱材が固相状態であると判断されるときに前記アクチュエータへの通電を停止する制御を行うことを特徴とした潜熱蓄熱装置。
4. 請求項１記載の潜熱蓄熱装置において、
   前記測温手段は、水温センサであることを特徴とした潜熱蓄熱装置。
5. 請求項１乃至５のいずれか一項記載の潜熱蓄熱装置を組み込んだことを特徴とするエンジン。

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