JP2009046987A - 蓄熱装置及びエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンが始動するときには潜熱による早期暖機が可能となるように蓄熱剤を過冷却状態として待機させることができる蓄熱装置を提供することを課題とする。
【解決手段】蓄熱装置（１）は、シリンダボア壁（２ｂ１）とシリンダブロック外壁（２ｂ２）との間に形成されたウォータジャケット（２ｂ）内に収容される容器（３）この容器に封入される蓄熱剤（４）、この蓄熱剤（４）を発核させる発核トリガ（６）、この発核トリガ（６）を押圧するアクチュエータ（５）を備える。蓄熱剤（４）の下側には、バッテリ（７）又は外部電源から通電されるヒータ１１が配置されている。このヒータ（１１）により蓄熱剤（４）を融解することにより蓄熱剤（４）を過冷却状態とすることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンを効果的に暖機することができる蓄熱装置に関する。

エンジンは、暖機が完了していない状態ではフリクションが大きい等の問題があることから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（蓄熱剤）を収納したエンジン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剤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。

特開平１１−１８２３９３号公報

以上説明したように特許文献１記載のエンジンの急速暖機装置は、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。ここで、このような急速暖機装置に用いられる蓄熱剤には、例えば、酢酸ナトリウム３水和物がある。このような蓄熱剤の状態の変化を説明すると以下の如くである。蓄熱剤は熱を得て、融点以上となると融解し、液相となる。その後、受熱が中断され温度が低下し、液相状態を維持したまま融点以下の温度も冷却されれば、潜熱を蓄えた状態の過冷却状態となる。このような過程を経て過冷却状態となった蓄熱剤は、電圧の印加や、何らかの刺激を付与する等、相変化を誘発する操作が行われると、液相から固相への変化に伴って潜熱放出による発熱がおこる。固相となった後の蓄熱剤は、周囲からの受熱により再び融解して液相となる。

このように蓄熱剤が潜熱を得るためには一旦周囲からの受熱により融解することが必要となる。ところが、エンジンが蓄熱剤に受熱できる程度にまで暖機が進行することなく停止してしまうと次回エンジン始動時に潜熱による早期暖機効果を得ることができなくなる。エンジン始動時の早期暖機効果を得ることができなければ車内ヒータが活用できるようになるタイミングも遅れるし、燃費向上、排気改善の効果も見込めない事態を生じる。

そこで、本発明は、エンジンが始動するときには潜熱による早期暖機が可能となるように蓄熱剤を過冷却状態として待機させることができる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、本発明の蓄熱装置は、エンジン内部に配置され、過冷却状態となって潜熱を蓄える蓄熱剤と、当該蓄熱剤の発核手段と、前記蓄熱剤の加温手段と、を、含むことを特徴とする（請求項１）。このような構成とすることにより、エンジン始動時にエンジンが発する熱では蓄熱剤の温度をその融点以上とすることができなかった場合であっても、加温手段によって蓄熱剤を一旦融点以上とすることができる。これにより、次回エンジン始動時に蓄熱剤を発核させ、潜熱により暖機を促進させることができる。このような蓄熱装置は、前記蓄熱剤の状態判定手段を備え、前記加温手段は、前記状態判定手段の判断結果に基づいて前記蓄熱剤に加温する構成とすることができる（請求項２）。より具体的には、前記状態判定手段は、前記蓄熱剤の温度履歴を参照し、前記加温手段は、前記温度履歴に基づいて加温制御される構成とすることができる（請求項７）。このような構成とすることにより、蓄熱剤が過冷却状態になることができないときに加温手段を作動させることにより、電力の無駄な消費を抑制することができる。

なお、前記発核手段は、蓄熱剤の発核、すなわち、相変化を誘発できるものであればよい。

このような蓄熱装置における前記加温手段はバッテリから通電されるヒータとすることができる（請求項３）。例えば、ハイブリッドカーに本発明の蓄熱装置を搭載するような場合には、ハイブリッドカーが備える発電装置によりバッテリに充電される電力を利用してヒータに通電する構成とすることができる。余剰に発電が行われた場合等に電力の有効活用となる。このようにバッテリをヒータの電源として利用する場合、他の電装品、点火系等に影響を及ぼすことがないように、また、ヒータに通電して蓄熱剤に加温することが却って燃費悪化等に繋がるときはヒータへの通電は行わないことが望ましい。このため、ヒータへの通電は前記バッテリの状態を参照して通電制御される構成とすることが望ましい（請求項４）。

また、このような蓄熱装置の前記加温手段は外部電源から通電されるヒータである構成とすることがでる（請求項５）。このような構成とすれば、エンジンを切って車両を停止させているときに蓄熱剤を過冷却状態とし、次回のエンジン始動に備えることができる。

このように本発明ではヒータを用いて蓄熱剤を融点温度以上の温度にまで加温することができるが、このようなヒータと蓄熱剤は、エンジン内部に形成されたウォータジャケット内へ収納することができる。このとき、ヒータはウォータジャケット内に配置された前記蓄熱剤の下側に配置された構成とすることが望ましい（請求項６）。発熱し、高温となるヒータを蓄熱剤の下側に廃止することによりヒータの熱を蓄熱剤に効率よく伝達することができる。

なお、蓄熱剤は、シリンダヘッドに形成されたウォータジャケット内及び／又は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配置された構成とすることができる（請求項８）。このような配置とすることにより、蓄熱剤は、暖機することが燃費向上や排気改善に効果的である箇所を早期に昇温させることができる。

以上説明したような蓄熱装置を種々の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９）。

なお、本発明における蓄熱剤としては、過冷却状態となることができ、所定の発核条件、すなわち、過冷却状態からの相変化を開始する条件が整うことにより発熱を伴った相変化を起こすことができるものであれば採用することができる。例えば、酢酸ナトリウム３水和物を採用することができる。

本発明によれば、エンジンの早期暖機完了に寄与する蓄熱剤の加温手段を備えたので、エンジン始動時にエンジンが発する熱では蓄熱剤の温度をその融点以上とすることができなかった場合であっても、蓄熱剤を一旦融点以上とすることができる。これにより、次回エンジン始動時に蓄熱剤を発核させ、エンジンの暖機を促進することができる。

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、蓄熱装置１を装着した４気筒のエンジン５０のシリンダブロック２を上面側から見たときの各構成要素の配置を模式的に示した断面図である。図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面図である。また、図３は、図２における容器３を取り出し、拡大して示した断面図である。シリンダブロック２には、シリンダボア２ａを形成するシリンダボア壁２ｂ１と、シリンダブロック外壁２ｂ２との間にウォータジャケット２ｂが形成されている。このウォータジャケット２ｂ内には、容器３が収容されている。この容器３には蓄熱剤４が封入されている。蓄熱剤４は、酢酸ナトリウム３水和物が採用されている。

容器３は、シリンダボア壁２ｂ１を両側から挟み込むことができるように２分割されている。すなわち、シリンダボア２ａの形状に対応した半割り形状をなしており、シリンダボア壁２ｂ１を両側から挟み込むような状態でウォータジャケット２ｂ内に収容されている。

容器３は、材質は適度な弾性及び強度を備えた樹脂からなり、内部には発核トリガ６が取り付けられている。この発核トリガ６は、シリンダブロック外壁２ｂ２に装着されたアクチュエータ５の押圧ピン５ａに押圧されることによって過冷却状態の蓄熱剤４の発核、すなわち、相変化を誘発する。このようなアクチュエータ５、発核トリガ６は、本発明における発核手段を構成するものである。アクチュエータ５、発核トリガ６は、エンジン５０の冷間始動時に作動し、これにより蓄熱剤４が発熱し、この熱がエンジン５０の暖機に利用される。暖機完了後は温まった冷却水から蓄熱剤４に熱が与えられることにより蓄熱剤４は再び過冷却状態に戻り、次回の発核に備えることができる。

容器３の下側にはヒータ１１が配置されている。このヒータ１１は、バッテリ７、ＥＣＵ（Electronic control unit）８と電気的に接続されている。バッテリ７は、外部電源と接続するための接続端子１０が設けられている。ヒータ１１は、バッテリ７や外部電源から通電されることによって発熱し、蓄熱剤４を加温する。バッテリ７は、アクチュエータ５とも電気的に接続されており、アクチュエータ５を駆動するための電源としても用いられる。バッテリ７とＥＣＵ８とは接続されており、バッテリ７の電圧値及び電流値といったバッテリ７の状態を評価する値がＥＣＵ８へ送られる。ＥＣＵ８は、アクチュエータ５、ヒータ１１とも接続されており、これらの動作を制御するようになっている。このようにＥＣＵ８は、アクチュエータ５、ヒータ１１の動作を制御するが、このとき、バッテリ７の電流値、電圧値を参照して、その値が所定値よりも低いときは通電を停止する制御を行う。これによりバッテリ７が保護される。

さらに、ＥＣＵ８には、水温センサ９が接続されており、水温データから蓄熱剤温度を把握し、蓄熱剤４の状態がどのようになっているかを判断する構成となっている。

このような蓄熱装置１における蓄熱剤４の温度の時間推移を、図３を参照しつつ説明する。まず、エンジン５０が冷間状態で始動されるとエンジン５０の燃焼熱により蓄熱剤温度は上昇する。このような冷間始動時には、アクチュエータ５が作動することにより蓄熱剤４は潜熱を放出して固相に変化している。このように徐々に温度が上昇しているにもかかわらず、図３中、符号ａの時点でエンジン５０が停止するとその時点から蓄熱剤温度は低下し始める。この符号ａの時点で蓄熱剤温度はその融点まで達しておらず、融解していないことから固相の状態を維持している。このため、このまま冷却されても、蓄熱剤４は過冷却状態となることはできない。なお、符号ａの時点で蓄熱剤温度が蓄熱剤融点を越えていた場合であっても、蓄熱剤４が得た熱量が融解に十分でなく、その後、エンジン５０の停止により蓄熱剤温度が低下するときは蓄熱剤４は固相状態を維持することとなる。

水温センサ９からのデータに基づいてこの蓄熱剤温度の低下を検知したＥＣＵ８は、バッテリ７の状態を参照し、バッテリ７がヒータ１１への通電が可能な状態であると判断したときはヒータ１１へ通電指令を発する。蓄熱剤温度はＥＣＵ８からヒータ１１への通電指令が発せられた符号ｂの時点から徐々に上昇する。ＥＣＵ８は、バッテリ７の状態からヒータ１１への通電は回避するとの判断をしたときは、ユーザに対し接続端子１０の外部電源への接続を促すウォーニングを発する。このウォーニングに従って、ユーザが接続端子１０に外部電源を接続すれば、ヒータ１１は外部電源から通電されて発熱する。これにより、蓄熱剤温度は上昇する。

ＥＣＵ８は、バッテリ７又は外部電源からヒータ１１へ通電することにより上昇する蓄熱剤温度が蓄熱剤融点を越え、蓄熱剤が融解したと判断したとき（符号ｃの時点）は、ヒータ１１への通電を終了する。この符号ｃの時点は、蓄熱剤温度が蓄熱剤融点よりもどの程度高く、蓄熱剤融点を越えた時間がどの程度であるかということを考慮して決定される。要は、ＥＣＵ８は、蓄熱剤４が得た熱量に基づいて蓄熱剤４が融解したと判断できたときにヒータ１１への通電を終了する。

ヒータ１１への通電が終了した後は、蓄熱剤４の温度は低下する。蓄熱剤４は、融点を下回っても液相状態を維持し、過冷却状態となる。これにより、蓄熱剤４は、次回、エンジン始動時の発核に備えることができる。

従って、符号ｄの時点でエンジンが再び始動し、ＥＣＵ８の指令に基づいてアクチュエータ５が作動すると発核ニードル６により相変化が誘発された蓄熱剤４は、潜熱の放出に伴って液相から固相へ相変化する。潜熱の放出に伴う発熱は符号ｅの時点までエンジン５０の暖機に寄与する。符号ｅの時点以後はエンジン５０の燃焼熱によって蓄熱剤温度は上昇し、蓄熱剤融点を上回るようになれば、再び融解して過冷却状態になることができる。

以上説明したように、エンジン５０が短時間の稼働であったために蓄熱剤温度が蓄熱剤融点を越えることができない場合であっても外部電源又はバッテリ７から通電されるヒータ１１により蓄熱剤４を昇温させ、過冷却状態とすることができる。

これにより、次回のエンジン始動時に蓄熱剤４による早期暖機が期待され、車内ヒータの早期使用開始、フリクション低下による燃費向上、排気改善を行うことができる。

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、蓄熱剤４は、図示しないシリンダヘッド内へ配置することができる。また、ヒータ１１も、シリンダヘッド内へ配置する構成とすることができる。蓄熱剤４をシリンダヘッドに配置し、シリンダヘッド周辺を早期暖機することにより、炭化水素（ＨＣ）の発生を抑制することができる。

蓄熱装置を装着したシリンダブロックを上面側から見たときの各構成要素の配置を模式的に示した断面図である。 図１に示したＡ−Ａ線で断面とした説明図である。 蓄熱剤温度の時間推移を示したグラフである。

符号の説明

１ 蓄熱装置
２ シリンダブロック
２ａ シリンダボア
２ｂ ウォータジャケット
２ｂ１ シリンダボア壁
２ｂ２ シリンダブロック外壁
３ 容器
４ 蓄熱剤
５ アクチュエータ
６ 発核トリガ
７ バッテリ
８ ＥＣＵ
９ 水温センサ
１０ 接続端子
１１ ヒータ
５０ エンジン

Claims (9)

1. エンジン内部に配置され、過冷却状態となって潜熱を蓄える蓄熱剤と、
   当該蓄熱剤の発核手段と、
   前記蓄熱剤の加温手段と、
   を、含むことを特徴とした蓄熱装置。
2. エンジン内部に配置され、過冷却状態となって潜熱を蓄える蓄熱剤と、
   当該蓄熱剤の発核手段と、
   前記蓄熱剤の状態判定手段と、
   前記蓄熱剤の加温手段と、
   を、含み、
   当該加温手段は、前記状態判定手段の判断結果に基づいて前記蓄熱剤に加温することを特徴とした蓄熱装置。
3. 請求項１又は２記載の蓄熱装置において、
   前記加温手段はバッテリから通電されるヒータであることを特徴とした蓄熱装置。
4. 請求項１又は２記載の蓄熱装置において、
   前記加温手段はバッテリから通電されるヒータであり、当該ヒータへの通電は前記バッテリの状態を参照して通電制御されることを特徴とした蓄熱装置。
5. 請求項１又は２記載の蓄熱装置において、
   前記加温手段は外部電源から通電されるヒータであることを特徴とした蓄熱装置。
6. 請求項１又は２記載の蓄熱装置において、
   前記加温手段はバッテリ又は外部電源から通電されるヒータであり、当該ヒータはウォータジャケット内に配置された前記蓄熱剤の下側に配置されたことを特徴とする蓄熱装置。
7. 請求項２記載の蓄熱装置において、
   前記状態判定手段は、前記蓄熱剤の温度履歴を参照し、前記加温手段は、前記温度履歴に基づいて加温制御されることを特徴とした蓄熱装置。
8. 請求項１又は２記載の蓄熱装置において、
   前記蓄熱剤は、シリンダヘッドに形成されたウォータジャケット内及び／又は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配置されたことを特徴とする蓄熱装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項記載の蓄熱装置を搭載したことを特徴とするエンジン。

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