JP2016160860A

JP2016160860A - エンジンシステム

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Publication number: JP2016160860A
Application number: JP2015041560A
Authority: JP
Inventors: 玄太郎山中; Gentaro Yamanaka; 志満津　孝; Takashi Shimazu; 孝志満津; 卓也山口; Takuya Yamaguchi
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2015-03-03
Filing date: 2015-03-03
Publication date: 2016-09-05
Anticipated expiration: 2035-03-03
Also published as: JP6437850B2

Abstract

【課題】エンジンにおける冷損を低減したエンジンシステムを提供する。【解決手段】エンジン１０の冷却材を吸着器１６に供給することによって吸着器１６から冷媒を脱離させて化学蓄熱器２０に供給し、これによって化学蓄熱器２０で熱を発生させ、当該熱をエンジン１０の冷却材の昇温に利用すると共に、吸着器１６での吸熱反応に伴って生成された冷却材を冷却に利用することが可能なエンジンシステム１００とする。【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンシステムに関する。

エンジンの吸気の温度を調整することによって、エンジンにおけるノッキングを低減する技術が知られている。例えば、２つの出口を有するラジエータを用いて、それぞれの出口から温度の異なる冷却水を生成し、それらの冷却水の混合比を調整して吸気用熱交換器に流入させることによって吸気の温度を調整する構成が開示されている（特許文献１）。

特開平７−４９０６３号公報

ところで、低温水を生成させるときにラジエータを用いて外気に熱を捨てると、エンジンの暖気が要求される際にその昇温が遅くなるという問題がある。

また、エンジンが搭載される車両では最大負荷において冷却性能が満足されるようにラジエータが設計されるが、低温水を生成するためにラジエータを用いるためにはラジエータをより大きくする必要がある。

本発明の１つの態様は、エンジンの冷却材を冷媒吸着器に熱を供給することによって前記冷媒吸着器から冷媒を脱離させて化学蓄熱反応器に供給し、これによって前記化学蓄熱反応器で熱を発生させ、当該熱をエンジンの冷却材の昇温に利用すると共に、前記冷媒吸着器での吸熱反応によって生成された冷却材を冷却に利用することが可能なエンジンシステムである。

ここで、ラジエータを介して外気から前記冷媒吸着器に熱を供給することによって前記冷媒吸着器から冷媒を脱離させて前記化学蓄熱反応器に供給し、これによって前記化学蓄熱反応器で熱を発生させ、当該熱をエンジンの冷却材の昇温に利用する状態にすることも可能であることが好適である。

また、前記冷媒吸着器での吸熱反応に伴って生成された冷却材を前記エンジンの排気側のライナー又は前記エンジンの吸気ポートの冷却に利用することが好適である。

また、ＥＧＲシステムを備え、前記エンジンの冷却材をＥＧＲクーラーに供給することが好適である。

また、前記エンジンは、過給エンジンであり、前記冷媒吸着器での吸熱反応に伴って生成された冷却材をインタークーラーの冷却に利用することが好適である。

本発明によれば、エンジンにおける冷損を低減したエンジンシステムを提供することができる。

本発明の実施の形態におけるエンジンシステムの構成を示す図である。本発明の実施の形態における吸着器に供給する冷却材の温度と化学蓄熱器からの出力温度との関係を示す図である。本発明の実施の形態におけるエンジンシステムの別の状態を示す図である。本発明の実施の形態におけるエンジンの冷却箇所を示す図である。本発明の実施の形態におけるエンジンシステムの別例の構成を示す図である。本発明の実施の形態におけるエンジンシステムの別例の構成を示す図である。

＜基本構成＞
本発明の実施の形態におけるエンジンシステム１００は、図１に示すように、エンジン１０、ラジエータ１２、ポンプ１４、吸着器（冷媒吸着器）１６、ポンプ１８、化学蓄熱器（化学蓄熱反応器）２０及び排熱回収器２２を含んで構成される。

エンジン１０は、車輌等に搭載され、外部から供給される燃料を燃焼させることによって駆動力を発生させる。エンジン１０は、エンジンヘッド１０ａとエンジンブロック１０ｂを含み、これらを組み合わせて構成される。ラジエータ１２は、冷却材（例えば冷却水）から熱を放熱する熱交換器であり、冷却対象の流体や熱源の流体を内部に流して周囲の空気や水に熱伝導により放熱する。ラジエータ１２に流される冷却材はポンプ１４によって循環させられる。本実施の形態では、バルブＶ１及び流路切替器Ｖ２によって、エンジン１０を介さずに吸着器１６のみに冷却材を循環させる状態（ラジエータ１２→ポンプ１４→吸着器１６→ラジエータ１２）と、ラジエータ１２を介してエンジン１０（エンジンヘッド１０ａ及びエンジンブロック１０ｂ）に冷却材を循環させる状態（ラジエータ１２→ポンプ１４→吸着器１６→エンジン１０→ラジエータ１２）と、を切り替えることができる。

また、本実施の形態のエンジンシステム１００では、ポンプ１８を用いて化学蓄熱器２０を介して冷却材をエンジン１０に循環させる経路（ポンプ１８→エンジン１０→化学蓄熱器２０→ポンプ１８）も設けられる。ここで、三方弁Ｖ３を設けることによって、化学蓄熱器２０に冷却材を通す経路と通さない経路とを選択可能とすることが好適である。また、バルブＶ４を設けて、エンジン１０のエンジンブロック１０ｂには冷却材を循環させる状態と循環させない状態とを切り替えられるようにしてもよい。

なお、本実施の形態では、エンジン１０と化学蓄熱器２０（又はポンプ１８）との間に排熱回収器２２を設けた構成としたが、排熱回収器２２を設けなくてもよい。排熱回収器２２は、エンジン１０の燃焼時に発生する排気ガス中の熱エネルギーを回収し、暖房性能の向上やエンジン１０の早期暖機に用いるために設けられる。

＜エンジン暖機時＞
エンジン１０の起動時等において暖機を行う場合、エンジン１０のエネルギー効率を改善するためにはエンジン１０の燃焼室から冷却材（冷却水）への熱交換を抑制する必要がある。そのためには、エンジン１０へ供給される冷却材を昇温することが１つの解決策となる。そこで、本実施の形態のエンジンシステム１００では、吸着器１６及び化学蓄熱器２０を用いて、前回の運転時における排熱を利用した蓄熱を行っておき、その蓄熱されたエネルギーを用いて冷却材の昇温を行う。

蓄熱の方法には、物質の温度変化を利用した顕熱蓄熱、物質の相変化を利用した潜熱蓄熱等があるが、いずれも蓄熱時間が長くなると放熱によるエネルギー損失が大きくなるため、本実施の形態では化学蓄熱を選択している。化学蓄熱は、体積当りの蓄熱量が大きく、長期間に亘る蓄熱が可能である点で優れている。

化学蓄熱は、冷媒の吸蔵又は放出により発熱又は吸熱する蓄熱剤を収納した化学蓄熱器２０と、加熱によりその冷媒を放出すると共に放熱によりその冷媒を吸着する冷媒吸着材を収納した吸着器１６と、を組み合わせて行われる。

蓄熱剤としては、主に、アルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素又は遷移金属元素のうち少なくとも一種類と塩素との化合物とすることが好適である。アルカリ金属元素には、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）及びフランシウム（Ｆｒ）が挙げられる。その金属塩化物（アルカリ金属塩化物）には、ＬｉＣｌ、ＮａＣｌ、ＫＣｌ等が挙げられる。また、アルカリ土類金属元素には、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、バリウム（ＢＡ）及びラジウム（Ｒａ）が挙げられる。その金属塩化物（アルカリ土類金属塩化物）には、ＭｇＣｌ₂、ＣａＣｌ₂、ＳｒＣｌ₂等が挙げられる。このうち、カルシウム塩化物（ＣａＣｌ₂）がより好適である。また、遷移金属元素には多くの種類があるが、蓄熱に適した遷移金属塩化物としては、ＭｎＣｌ₂、ＦｅＣｌ₂、ＣｏＣｌ₂、ＮｉＣｌ₂等が挙げられる。

吸着材としては、冷媒を吸着できる活性炭等を適用することが好適である。吸着材を筐体に収納することにより吸着器１６が構成される。なお、本実施の形態では、冷媒として氷点下以下でも高い蒸気圧により輸送が期待できるアンモニア（ＮＨ₃）を適用している。

図１は、本実施の形態のエンジンシステム１００における暖機時における第１の状態を示す。図１に示した状態において、外気によりラジエータ１２を介して吸着器１６に熱（外気温相当）を供給することにより吸着器１６の吸着材からの冷媒（アンモニア）の離脱が促進される。このとき、バルブＶ５を開状態とすることによって、吸着器１６から化学蓄熱器２０へ冷媒が供給される。これによって、化学蓄熱器２０において発熱反応が進行し、その熱が熱交換によって伝えられてエンジン１０の冷却材が加熱される。この冷却材がエンジン１０へ供給されてエンジン１０が暖機される。

図２は、吸着器１６に供給する冷却材の温度と化学蓄熱器２０からの出力温度との関係を示すグラフである。暖機時において吸着器１６に供給する冷却材の温度は外気温とほぼ等しく、この外気温に対して化学蓄熱器２０からの出力温度が決定される。そして、暖機の対象であるエンジン１０の冷却材の温度が化学蓄熱器２０からの出力温度と等しくなった時点で化学蓄熱器２０から冷却材に対して熱を移動できなくなる。例えば、外気温が２５℃程度であれば、化学蓄熱器２０からの出力温度は５０℃程度となり、図１に示す第１の状態においてエンジン１０は５０℃程度までしか暖機されない。

そこで、本実施の形態のエンジンシステム１００では、図３に示すような第２の状態とすることにより、より高い温度までエンジン１０の暖機を可能とする。第２の状態では、エンジンシステム１００は、バルブＶ１及び流路切替器Ｖ２によって吸着器１６を通る冷却材がエンジン１０のエンジンブロック１０ｂの一部を介して循環する。

第２の状態では、エンジン１０を冷却する冷却材は分岐されて吸着器１６と化学蓄熱器２０の両方を循環する。吸着器１６では、エンジン１０によって暖められて外気温よりも高い温度となった冷却材からの加熱によって冷媒（アンモニア）が放出される。吸着器１６から放出された冷媒（アンモニア）は化学蓄熱器２０に供給される。これに伴って、吸着器１６では、冷却材から熱が奪われて、低温となった冷却材がエンジンブロック１０ｂの一部へ供給される。一方、化学蓄熱器２０では、吸着器１６から冷媒（アンモニア）が供給され、冷却材が加熱される。化学蓄熱器２０にて加熱された冷却材はエンジンヘッド１０ａ及びエンジンブロック１０ｂの一部へ供給される。

一般的に、吸着器１６と化学蓄熱器２０での反応熱比は、化学蓄熱器２０の方が大きくなる。すなわち、時間の経過と共に、エンジン１０の冷却材は昇温され、暖機時においてエンジンシステム１００全体として冷損を低減する効果が得られる。例えば、化学蓄熱器２０の蓄熱剤としてＣａＣｌ₂、吸着器１６の吸着材として活性炭、及び冷媒としてアンモニアを用いた場合、化学蓄熱器２０と吸着器１６での反応熱比は２：１である。すなわち、吸着器１６に対して１の熱量を投入して冷媒（アンモニア）を脱離させることによって、化学蓄熱器２０では２の熱量が発生する。

このように、エンジン１０によって暖められた冷却材を吸着器１６へ供給することで、化学蓄熱器２０からの出力温度を高めることができ、これによってエンジン１０の暖機をより促進させることができる。例えば、図２を参照すれば、吸着器１６に対して４０℃程度の冷却材を供給することによって、化学蓄熱器２０の出力温度を６０℃程度まで高めることができる。

なお、吸着器１６において生成された低温の冷却材はエンジンシステム１００の構成要素の冷却に用いることが好適である。例えば、図４に示すように、エンジン１０のエンジンブロック１０ｂにおける排気側のライナーの上部１０ｃに供給することが好適である。これにより、エンジン１０の燃焼室内で最も高温となる部分のエンドガスが冷却され、ノッキングの発生を抑制することができる。また、エンジン１０のエンジンブロック１０ｂにおける吸気ポート１０ｄの近傍に供給することが好適である。これにより、エンジン１０に供給される吸気ガスが冷却され、ノッキングの発生を抑制することができる。

＜蓄熱時＞
エンジン１０の暖機が終了すると、エンジン１０が十分に暖められた状態において化学蓄熱器２０での蓄熱が行われる。この場合、暖機時とは逆に化学蓄熱器２０には加熱された冷却材がエンジン１０から供給され、化学蓄熱器２０から冷媒（アンモニア）が放出される。化学蓄熱器２０から放出された冷媒（アンモニア）は、バルブＶ５を介して吸着器１６へ供給され、吸着器１６の吸着材に冷媒（アンモニア）が吸着される。このとき、吸着器１６では吸着熱による熱が発生する。

このようにして、車輌の通常走行時等において吸着器１６及び化学蓄熱器２０における蓄熱が行われる。このようにして蓄熱されたエネルギーを、次回の暖機時に使用することができる。

＜変形例＞
吸着器１６において低温化された冷却材や化学蓄熱器２０において高温化された冷却材は、エンジン１０の冷却や暖機以外にも使用することもできる。

図５に示すエンジンシステム２００のように、排気再循環システム（ＥＧＲシステム）が設けられている場合、ＥＧＲクーラー３０とエンジンヘッド１０ａの冷却配管とを繋ぐバルブＶ６を開状態とすることによって、化学蓄熱器２０によって高温化された冷却材をＥＧＲクーラー３０へ供給することができる。ＥＧＲクーラー３０に供給された冷却材は、ＥＧＲバルブ３２及びオイルクーラー３４を介して化学蓄熱器２０へ戻される。これによって、ＥＧＲクーラー３０での凝縮水の生成を抑制することができる。

また、図６に示すように、ヒータ３６が設けられている場合、ヒータ３６とエンジンヘッド１０ａの冷却配管とを繋ぐバルブＶ７を開状態とすることによって、化学蓄熱器２０によって高温化された冷却材をポンプ３８を介してヒータ３６へ供給することができる。ヒータ３６に供給された冷却材は化学蓄熱器２０へ戻される。これによって、化学蓄熱器２０において高温化された冷却材をヒータ３６で利用することができる。

また、エンジン１０が過給機を伴う過給エンジンである場合、吸着器１６で低温下された冷却材をインタークーラーに供給して空気を冷却してエンジン１０へ供給するようにしてもよい。これにより、エンジン１０への過給空気が冷却され、燃焼室内でのノッキングを抑制できる。

なお、本発明のエンジンシステムにおいて冷却又は加熱できる場所はこれらに限定されるものではない。

１０エンジン、１０ａエンジンヘッド、１０ｂエンジンブロック、１０ｃ排気側ライナーの上部、１０ｄ吸気ポート、１２ラジエータ、１４ポンプ、１６吸着器、１８ポンプ、２０化学蓄熱器、２２排熱回収器、３０ＥＧＲクーラー、３２ＥＧＲバルブ、３４オイルクーラー、３６ヒータ、３８ポンプ、１００，２００エンジンシステム。

Claims

エンジンの冷却材を冷媒吸着器に熱を供給することによって前記冷媒吸着器から冷媒を脱離させて化学蓄熱反応器に供給し、これによって前記化学蓄熱反応器で熱を発生させ、当該熱をエンジンの冷却材の昇温に利用すると共に、前記冷媒吸着器での吸熱反応によって生成された冷却材を冷却に利用することが可能なエンジンシステム。
請求項１に記載のエンジンシステムであって、
ラジエータを介して外気から前記冷媒吸着器に熱を供給することによって前記冷媒吸着器から冷媒を脱離させて前記化学蓄熱反応器に供給し、これによって前記化学蓄熱反応器で熱を発生させ、当該熱をエンジンの冷却材の昇温に利用する状態にすることも可能なエンジンシステム。
請求項１又は２に記載のエンジンシステムにおいて、
前記冷媒吸着器での吸熱反応に伴って生成された冷却材を前記エンジンの排気側のライナー又は前記エンジンの吸気ポートの冷却に利用することを特徴とするエンジンシステム。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジンシステムにおいて、
ＥＧＲシステムを備え、前記エンジンの冷却材をＥＧＲクーラーに供給することを特徴とするエンジンシステム。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のエンジンシステムにおいて、
前記エンジンは、過給エンジンであり、
前記冷媒吸着器での吸熱反応に伴って生成された冷却材をインタークーラーの冷却に利用することを特徴とするエンジンシステム。