JP4019803B2 - 蓄熱装置を備えた内燃機関 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車などに搭載される内燃機関に関し、特に冷却水などの熱媒体を蓄熱状態で貯蔵可能な蓄熱装置を備えた内燃機関に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、自動車などに搭載される内燃機関では、冷間時の始動性、燃焼安定性、排気エミッション、或いは室内暖房性能などの向上を目的として、蓄熱装置を備えた内燃機関が提案されている。
【0003】
このような蓄熱装置を備えた内燃機関としては、例えば、特開2001−132448号公報に記載されているような内燃機関の冷却装置が開示されている。前記した公報に記載された内燃機関の冷却装置は、水冷式内燃機関の冷却水を保温状態で貯蔵する保温容器と、保温容器内の温水を内燃機関へ供給する温水ポンプとを備え、内燃機関の始動時に温水ポンプを所定時間作動させることにより、内燃機関内に元々滞留していた低温の冷却水と保温容器内に貯蔵されていた温水とを入れ替えるよう構成されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、蓄熱装置を備えた内燃機関では、内燃機関の運転時に高温となった冷却水を効率よく保温容器に回収することも重要である。すなわち、冷却水の流量およびまたは流速は、ポンプの作動状態、冷却水が循環する経路の状態、あるいは冷却水の温度などに応じて変化するため、それら各種条件に応じた温水回収処理を行うことが必要となる。
【0005】
本発明は、上記したような実情に鑑みてなされたものであり、蓄熱装置を備えた内燃機関において、高温の冷却水を効率よく蓄熱装置へ貯蔵させることができる技術を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記した課題を解決するために以下のような手段を採用した。すなわち、本発明に係る蓄熱装置を備えた内燃機関は、
内燃機関を経由して熱媒体が循環する循環回路と、
前記内燃機関の回転力を利用して前記熱媒体の循環流を発生させるポンプ機構と、
前記循環回路内の熱媒体の一部を蓄熱状態で貯蔵する蓄熱容器と、
前記循環回路内の熱媒体を前記蓄熱容器に回収するときに、前記内燃機関の機関回転数に基づいて回収所要時間を演算する演算手段と、
前記演算手段により算出された回収所要時間に従って熱媒体の回収処理を行う回収手段と、
を備えることを特徴とする。
【0007】
この発明は、内燃機関を経由して熱媒体が循環する循環回路と、内燃機関の回転力を利用して循環回路内に熱媒体の循環流を発生させるポンプ機構と、循環回路内の熱媒体の一部を蓄熱状態で貯蔵する蓄熱容器とを備えた内燃機関において、循環回路内の高温の熱媒体を蓄熱容器へ回収する場合に、内燃機関の機関回転数に応じて決定される回収所要時間に従って回収処理を行うことを最大の特徴としている。
【0008】
循環回路内の熱媒体が持つ熱を蓄熱容器内に好適に蓄えるには、蓄熱容器に元々貯蔵されていた熱媒体を該蓄熱容器から排出すると同時に循環回路内の高温の熱媒体を蓄熱容器に充満させる処理、言い換えれば、蓄熱容器内の熱媒体を循環回路内の高温の熱媒体と入れ替える処理が必要となる。
【0009】
上記したような入れ替え処理に要する時間は、蓄熱容器の容量と蓄熱容器内へ単位時間当たりに流入する熱媒体の量(蓄熱容器から単位時間当たりに流出する熱媒体の量でもよい)とに応じて定まる。その際、蓄熱容器の容量が不変であれば、前記した入れ替え処理に要する時間は、蓄熱容器内へ単位時間当たりに流入する熱媒体の量に応じて特定される。
【0010】
蓄熱容器内へ単位時間当たりに流入する熱媒体の量はポンプ機構により発生する循環流の速度によって変化し、ポンプ機構により発生する循環流の速度は内燃機関の機関回転数に応じて変化するため、蓄熱容器内へ単位時間当たりに流入する熱媒体の量は、内燃機関の機関回転数に応じて特定される。
【0011】
従って、上記したような入れ替え処理に要する時間、すなわち回収所要時間は、内燃機関の機関回転数に応じて特定されることになる。
【0012】
そこで、本発明に係る蓄熱装置を備えた内燃機関では、循環回路内の高温の熱媒体を蓄熱容器へ回収する時に、演算手段が機関回転数をパラメータとして回収所要時間を演算し、演算手段により算出された回収所要時間に従って回収手段が回収処理を実行するようにした。
【0013】
この場合、蓄熱容器への熱媒体の回収処理は、蓄熱容器内へ単位時間当たりに流入する熱媒体の量に従って行われることになるため、蓄熱容器内の熱媒体が循環回路内の高温の熱媒体と入れ替わる前に回収処理が終了することがなくなるとともに、蓄熱容器内の熱媒体が循環回路内の高温の熱媒体と入れ替わった後も回収処理が継続されることがない。
【0014】
また、本発明に係る蓄熱装置を備えた内燃機関において、循環回路は、熱媒体を冷却する冷却機構と、冷却機構を迂回するバイパス通路と、冷却機構又はバイパス通路を遮断する流路切換弁とを具備するようにしてもよい。
【0015】
この場合、冷却機構による熱媒体の圧力損失とバイパス通路による熱媒体の圧力損失とが異なるため、熱媒体が冷却機構を流通する場合とバイパス通路を流通する場合とでは熱媒体の流速が異なるようになり、それに応じて蓄熱容器内へ単位時間当たりに流入する熱媒体の量も異なるようになる。
【0016】
従って、演算手段は、内燃機関の機関回転数と流路切換弁の状態とに基づいて回収所要時間を演算することが好ましい。
【0017】
また、本発明に係る蓄熱装置を備えた内燃機関は、循環回路内の熱媒体の温度を検出する温度検出手段を更に備え、演算手段が機関回転数と温度検出手段により検出された熱媒体の温度とに基づいて回収所要時間を演算するようにしてもよい。
【0018】
これは、本発明に係る熱媒体として、温度に応じて粘性が異なる熱媒体が用いられた場合を想定したものである。
【0019】
例えば、本発明に係る熱媒体として、温度が高くなるほど粘性が低下する熱媒体が用いられた場合は、熱媒体の温度が低くなるほど蓄熱容器内へ単位時間当たりに流入する熱媒体の量が減少するとともに、熱媒体の温度が高くなるほど蓄熱容器内へ単位時間当たりに流入する熱媒体の量が増加することになる。
【0020】
このような場合には、熱媒体の温度が高くなるほど回収所要時間が短く設定され、熱媒体の温度が低くなるほど回収所要時間が長く設定されるようにすればよい。
【0021】
また、本発明に係る蓄熱装置を備えた内燃機関は、バッテリからの電圧が印加されたときに、循環回路から蓄熱容器へ向かう熱媒体の流れを発生する電動ウォーターポンプを更に備え、演算手段は、内燃機関の機関回転数とバッテリの電圧とに基づいて回収所要時間を演算するようにしてもよい。
【0022】
これは、ポンプ機構とは独立して熱媒体の流れを発生させる電動ウォーターポンプを備えた構成を想定したものであり、電動ウォーターポンプの出力(電動ウォーターポンプの吐出量)はバッテリ電圧に応じて変化し、電動ウォーターポンプの出力が変化すると蓄熱容器内へ単位時間当たりに流入する熱媒体の量が変化することになるからである。
【0023】
尚、ポンプ機構により発生する熱媒体の流れ方向と電動ウォーターポンプにより発生する熱媒体の流れ方向とが同一方向である場合には、機関回転数が高く且つバッテリ電圧が高くなるほど蓄熱容器内へ単位時間当たりに流入する熱媒体の量が多くなり、機関回転数が低く且つバッテリ電圧が低くなるほど蓄熱容器内へ単位時間当たりに流入する熱媒体の量が少なくなる。
【0024】
このため、ポンプ機構により発生する熱媒体の流れ方向と電動ウォーターポンプにより発生する熱媒体の流れ方向とが同一方向である場合には、機関回転数が高く且つバッテリ電圧が高くなるほど回収所要時間が短く設定され、機関回転数が低く且つバッテリ電圧が低くなるほど回収所要時間が長く設定されるようにすればよい。
【0025】
一方、ポンプ機構により発生する熱媒体の流れ方向と電動ウォーターポンプにより発生する熱媒体の流れ方向とが逆方向である場合には、機関回転数が低く且つバッテリ電圧が高くなるほど蓄熱容器内へ単位時間当たりに流入する熱媒体の量が多くなり、機関回転数が高く且つバッテリ電圧が低くなるほど蓄熱容器内へ単位時間当たりに流入する熱媒体の量が少なくなる。
【0026】
このため、ポンプ機構により発生する熱媒体の流れ方向と電動ウォーターポンプにより発生する熱媒体の流れ方向とが逆方向である場合には、機関回転数が低く且つバッテリ電圧が高くなるほど回収所要時間が短く設定され、機関回転数が高く且つバッテリ電圧が低くなるほど回収所要時間が長く設定されるようにすればよい。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る蓄熱装置を備えた内燃機関の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
【0028】
<実施の形態1>
先ず、本発明に係る蓄熱装置を備えた内燃機関の第1の実施態様について図1〜図11に基づいて説明する。
【0029】
図1は、本発明を適用する内燃機関の冷却水循環系を示す図である。
内燃機関1は、軽油を燃料とする圧縮着火式の内燃機関(ディーゼル機関)又はガソリンを燃料とする火花点火式の内燃機関(ガソリン機関)であり、自動車に搭載される機関である。
【0030】
前記内燃機関1は、シリンダヘッド1aとシリンダブロック1bを備えている。シリンダヘッド1a及びシリンダブロック1bの各々には、本発明に係る熱媒体としての冷却水を流通させるためのヘッド側冷却水路2aとブロック側冷却水路2bとが形成され、それらヘッド側冷却水路2aとブロック側冷却水路2bとが相互に連通している。
【0031】
前記ヘッド側冷却水路2aには、第1冷却水路4が接続され、この第1冷却水路4は、ラジエター5の冷却水流入口に接続されている。前記ラジエター5の冷却水流出口は、第2冷却水路6を介してサーモスタットバルブ7に接続されている。
【0032】
前記サーモスタットバルブ7には、前記第2冷却水路6に加えて、第3冷却水路8とバイパス水路9とが接続されている。前記第3冷却水路8は、内燃機関1の機関出力軸(クランクシャフト)の回転トルクを駆動源とする機械式ウォーターポンプ10の吸込口に接続され、前記バイパス水路9は、ヘッド側冷却水路2aに接続されている。
【0033】
前記した機械式ウォーターポンプ10は、本発明に係るポンプ機構に相当するものであり、該機械式ウォーターポンプ10の吐出口には、前記ブロック側冷却水路2bが接続されている。
【0034】
ここで、前記したラジエター5は、該ラジエター5内を流通する冷却水と外気との間で熱交換を行う熱交換器であり、本発明に係る冷却機構に相当する。
【0035】
また、前記したサーモスタットバルブ7は、冷却水の温度に応じて、第2冷却水路6とバイパス水路9との何れか一方を遮断する流路切換バルブである。具体的には、サーモスタットバルブ7は、該サーモスタットバルブ7を流れる冷却水の温度が所定の開弁温度:Temp1(例えば、80℃〜90℃)未満であるときは、第2冷却水路6を遮断すると同時にバイパス水路9を開放して、第3冷却水路8とバイパス水路9とを導通させる。前記サーモスタットバルブ7は、該サーモスタットバルブ7を流れる冷却水の温度が前記開弁温度:Temp1以上であるときは、第2冷却水路6を開放すると同時にバイパス水路9を遮断して、第3冷却水路8と第2冷却水路6とを導通させる。このようにサーモスタットバルブ7は、本発明に係る流路切換弁に相当する。
【0036】
次に、前記した第1冷却水路4の途中にはヒータホース11が接続され、このヒータホース11は前記した第3冷却水路8の途中に接続されている。前記ヒータホース11の途中には、冷却水と室内暖房用空気との間で熱交換を行うヒータコア12が配置されている。
【0037】
前記ヒータコア12と前記第3冷却水路8との間に位置するヒータホース11の途中には、第1バイパス通路13aが接続されている。この第1バイパス通路13aは、蓄熱容器15の冷却水出口15bに接続されている。
【0038】
前記蓄熱容器15は、冷却水が持つ熱を蓄熱しつつ冷却水を貯蔵する容器であり、冷却水入口15aから新規の冷却水が流入すると、それと入れ替わりに該蓄熱容器15内に貯蔵されていた冷却水を前記冷却水出口15bから排出するよう構成されている。尚、蓄熱容器15の冷却水入口15aと冷却水出口15bとの各々には、冷却水の逆流を防止するワンウェイバルブが取り付けられるようにしてもよい。
【0039】
前記した蓄熱容器15の冷却水入口15aには第2バイパス通路13bが接続され、この第2バイパス通路13bは電動ウォーターポンプ14の冷却水吐出口に接続されている。
【0040】
前記電動ウォーターポンプ14は、バッテリ43の出力電圧を駆動源とするウォーターポンプであり、冷却水吸込口から吸い込んだ冷却水を前記した冷却水吐出口から吐出するよう構成されている。
【0041】
前記電動ウォーターポンプ14の冷却水吸込口は、第3バイパス通路13cを介して、ヒータコア12と第1冷却水路4との間に位置するヒータホース11に接続されている。
【0042】
尚、ヒータコア12と第1冷却水路4との間に位置するヒータホース11において、第3バイパス通路13cの接続部位を基準にして第1冷却水路4側の部位を第1ヒータホース11aと称するとともに、ヒータコア12側の部位を第2ヒータホース11bと称するものとする。更に、ヒータコア12と第3冷却水路8との間に位置するヒータホース11において、第1バイパス通路13aの接続部位を基準にしてヒータコア12側の部位を第3ヒータホース11cと称するとともに、第3冷却水路8側の部位を第4ヒータホース11dと称するものとする。
【0043】
前記した第1ヒータホース11aと第2ヒータホース11bと第3バイパス通路13cとの接続部には、流路切換弁16が設けられている。この流路切換弁16は、前記3つの通路の何れか1つの通路を選択的に遮断するよう構成されており、ステップモータ等からなるアクチュエータによって駆動される。
【0044】
また、第3冷却水路8における機械式ウォーターポンプ10の近傍には、該第3冷却水路8内を流れる冷却水の温度に対応した電気信号を出力する第1水温センサ17が取り付けられている。第1冷却水路4におけるヘッド側冷却水路2aとの接続部位の近傍には、該第1冷却水路4内を流れる冷却水の温度に対応した電気信号を出力する第2水温センサ18が取り付けられている。
【0045】
このように構成された冷却水循環系には、当該冷却水循環系の作動状態を制御するための電子制御ユニット(ECU:Electronic Control Unit)39が併設されている。このECU39は、CPU、ROM、RAM、バックアップRAM、入力ポート、出力ポート、A/Dコンバータ等から構成される算術論理演算回路である。このECU39は、内燃機関1の運転状態を制御するためのECUと独立して設けられるようにしてもよく、或いは兼用されるにしてもよい。
【0046】
ECU39には、前述した第1水温センサ17、第2水温センサ18、及びバッテリ43に加えて、車室内に設けられたイグニッションスイッチ40、スタータスイッチ41、及び室内暖房装置のスイッチ(ヒータスイッチ)42が電気的に接続され、それら各種センサの出力信号がECU39へ入力されるようになっている。
【0047】
更に、ECU39は、前述した電動ウォーターポンプ14及び流路切換弁16と電気的に接続され、ECU39が電動ウォーターポンプ14及び流路切換弁16を制御することが可能となっている。
【0048】
具体的には、ECU39は、ROMに記憶されているアプリケーションプログラムに従って動作し、前記冷却水循環系における冷却水の流れを切り換えるための冷却水流れ切換制御を実行する。
【0049】
以下、本実施の形態における冷却水流れ切換制御について述べる。
先ず、内燃機関1が運転状態にあるときは、機械式ウォーターポンプ10がクランクシャフトの回転トルクを受けて作動する。これに対し、ECU39は、第2ヒータホース11bを遮断させるべく流路切換弁16を制御するとともに、電動ウォーターポンプ14を停止状態とすべくバッテリ43から電動ウォーターポンプ14への電圧供給を遮断する。
【0050】
この場合、電動ウォーターポンプ14が作動せずに機械式ウォーターポンプ10のみが作動することになり、その際の冷却水の温度がサーモスタットバルブ7の開弁温度:Temp1未満であれば該サーモスタットバルブ7が第2冷却水路6を遮断すると同時にバイパス水路9を開放することになる。
【0051】
従って、内燃機関1が運転状態にあり、且つ冷却水の温度がサーモスタットバルブ7の開弁温度:Temp1未満であるときは、図2に示すように、機械式ウォーターポンプ10→ブロック側冷却水路2b→ヘッド側冷却水路2a→バイパス水路9→サーモスタットバルブ7→第3冷却水路8→機械式ウォーターポンプ10の順に冷却水が流れる循環回路が成立する。
【0052】
図2に示すような循環回路が成立した場合は、内燃機関1から流出した比較的低温の冷却水がラジエター5を迂回して流れることになるため、冷却水がラジエター5によって不要に冷却されないことになる。この結果、内燃機関1の暖機が妨げられることがない。
【0053】
その後、内燃機関1の暖機が完了して、冷却水の温度がサーモスタットバルブ7の開弁温度:Temp1以上になると、サーモスタットバルブ7が第2冷却水路6を開放すると同時にバイパス水路9を遮断することになる。
【0054】
この場合、図3に示すように、機械式ウォーターポンプ10→ブロック側冷却水路2b→ヘッド側冷却水路2a→第1冷却水路4→ラジエター5→第2冷却水路6→サーモスタットバルブ7→第3冷却水路8→機械式ウォーターポンプ10の順に冷却水が流れる循環回路が成立する。
【0055】
図3に示すような循環回路が成立した場合は、内燃機関1から流出した比較的高温の冷却水がラジエター5を流通することになるため、冷却水の熱がラジエター5において外気へ放出され、冷却水の温度が低下する。この結果、ラジエター5を通過した後の比較的低温の冷却水が内燃機関1のヘッド側冷却水路2a及びブロック側冷却水路2bへ流入することになるため、内燃機関1の熱が冷却水へ伝達され、以て内燃機関1の過熱が防止される。
【0056】
また、内燃機関1が運転状態にあり且つ冷却水の温度がサーモスタットバルブ7の開弁温度:Temp1以上であるときに、ヒータスイッチ42がオンにされると、ECU39は、電動ウォーターポンプ14を停止状態に維持しつつ、第3バイパス通路13cを遮断し且つ第1ヒータホース11aと第2ヒータホース11bを導通させるべく流路切換弁16を制御する。
【0057】
この場合、図4に示すように、前述した図3の説明で述べた循環回路と同一の循環回路が成立すると同時に、機械式ウォーターポンプ10→ブロック側冷却水路2b→ヘッド側冷却水路2a→第1冷却水路4→第1ヒータホース11a→流路切換弁16→第2ヒータホース11b→ヒータコア12→第3ヒータホース11c→第4ヒータホース11d→第3冷却水路8→機械式ウォーターポンプ10の順に冷却水が流れる循環回路が成立する。
【0058】
図4に示すような循環回路が成立した場合には、内燃機関1から流出した比較的高温の冷却水がヒータコア12へ流入することになるため、ヒータコア12において冷却水の熱が室内暖房用空気へ伝達されることになる。この結果、室内暖房用空気の温度が高められる。
【0059】
ところで、内燃機関1が冷間始動される場合は、吸気ポート壁面や燃焼室壁面の温度が低くなるため、燃料噴射弁から噴射された燃料が気化し難い。このため、燃料噴射弁から噴射された燃料が吸気ポート壁面や燃焼室壁面に付着し易くなり、可燃性の高い混合気を形成することが困難となる。更に、内燃機関1が冷間状態にある場合は、圧縮行程上死点における気筒内(燃焼室内)の温度(所謂、圧縮端温度)も低くなるため、燃料が着火及び燃焼し難くなる。
【0060】
内燃機関1において、可燃性の高い混合気が形成され難く且つ燃料が着火及び燃焼し難くなると、始動性の低下、燃焼安定性の低下、或いは未燃燃料成分の排出量増加による排気エミッションの悪化などが誘発される。
【0061】
そこで、本実施の形態における冷却水流れ切換制御では、ECU39は、内燃機関1の始動直前(内燃機関1のクランキングが開始される前)に、第2ヒータホース11bを遮断すべく流路切換弁16を制御するとともに電動ウォーターポンプ14を作動させるべくバッテリ43から電動ウォーターポンプ14への電圧供給を許容する。
【0062】
この場合、第1ヒータホース11aと第3バイパス通路13cとが導通するとともに、機械式ウォーターポンプ10が作動せずに電動ウォーターポンプ14のみが作動するため、図5に示すような、電動ウォーターポンプ14→第2バイパス通路13b→蓄熱容器15→第1バイパス通路13a→第4ヒータホース11d→第3冷却水路8→機械式ウォーターポンプ10→ブロック側冷却水路2b→ヘッド側冷却水路2a→第1冷却水路4→第1ヒータホース11a→流路切換弁16→第3バイパス通路13c→電動ウォーターポンプ14の順に冷却水が流れる循環回路が成立する。
【0063】
図5に示すような循環回路が成立すると、電動ウォーターポンプ14から吐出された冷却水が第2バイパス通路13bを介して蓄熱容器15内へ流入し、それと入れ替わりに蓄熱容器15内に貯えられていた高温な冷却水(以下、蓄熱温水と称する)が冷却水出口15bから排出される。
【0064】
蓄熱容器15の冷却水出口15bから排出された蓄熱温水は、第1バイパス通路13a、第4ヒータホース11d、第3冷却水路8、及び機械式ウォーターポンプ10を介して内燃機関1のブロック側冷却水路2bへ流入し、次いでブロック側冷却水路2bからヘッド側冷却水路2aへ流入する。
【0065】
このように蓄熱容器15に貯蔵されていた蓄熱温水がヘッド側冷却水路2a及びブロック側冷却水路2bへ流入すると、それと入れ替わりにヘッド側冷却水路2a内及びブロック側冷却水路2b内に元々滞留していた低温の冷却水がヘッド側冷却水路2a及びブロック側冷却水路2bから排出される。
【0066】
その際、ECU39は、内燃機関1のヘッド側冷却水路2a及びブロック側冷却水路2b内に元々滞留していた低温の冷却水が蓄熱温水と入れ替わった時点(例えば、第2水温センサ18の出力信号値が所定温度以上になった時点)で電動ウォーターポンプ14の作動を停止し、蓄熱温水がヘッド側冷却水路2a及びブロック側冷却水路2b内に滞留するようにする。
【0067】
この場合、蓄熱温水が持つ熱の略全てがシリンダヘッド1a及びシリンダブロック1bへ効率的に伝達され、シリンダヘッド1a及びシリンダブロック1bが速やかに昇温する。
【0068】
このようにシリンダヘッド1a及びシリンダブロック1bが蓄熱温水によって暖められると、吸気ポートや燃焼室の雰囲気温度が上昇するため、内燃機関1の始動時における燃料の気化が促進されるとともに圧縮端温度が高められる。
【0069】
この結果、内燃機関1において、燃料の着火性の向上、燃料の燃焼安定性の向上、壁面付着燃料量の減少等が図られることとなり、以て内燃機関1の始動性の向上、暖機運転時間の短縮、排気エミッションの向上などを図ることが可能となる。
【0070】
上記したような蓄熱温水による内燃機関1の加熱を効果的に行うためには、蓄熱容器15内に高温の冷却水を貯め込んでおく必要がある。そこで、ECU39は、ヘッド側冷却水路2a及びブロック側冷却水路2bを循環する冷却水の温度が所望の温度以上となった時点で、ヘッド側冷却水路2a及びブロック側冷却水路2b内を流通する高温の冷却水(以下、単に温水と称する)を蓄熱容器15に回収すべく温水回収制御を実行する。
【0071】
温水回収制御では、ECU39は、内燃機関1が運転状態にあるときに、第2水温センサ18の出力信号値(ヘッド側冷却水路2a及びブロック側冷却水路2bから排出された冷却水の温度):Thw2を監視する。
【0072】
ECU39は、第2水温センサ18の出力信号値:Thw2が所望の目標回収温度以上になると、第2ヒータホース11bを遮断すべく流路切換弁16を制御するとともに電動ウォーターポンプ14を停止状態とすべくバッテリ43から電動ウォーターポンプ14への電圧供給を遮断する。
【0073】
尚、前記した目標回収温度は、予め設定された固定値であってもよく、或いは、第2水温センサ18の出力信号値:Thw2の履歴より冷却水の最高温度を学習し、その最高温度より所定温度低く設定されるようにしてもよい。
【0074】
上記したようにECU39が第2ヒータホース11bを遮断すべく流路切換弁16を制御するとともに電動ウォーターポンプ14を停止状態とすべくバッテリ43から電動ウォーターポンプ14への電圧供給を遮断した場合には、第1ヒータホース11aと第3バイパス通路13cとが導通するとともに、電動ウォーターポンプ14が作動せずに機械式ウォーターポンプ10が作動することになる。更に、その際にサーモスタットバルブ7を流通する冷却水の温度(第1水温センサ17の出力信号値:Thw1)が開弁温度:Temp1未満であれば、サーモスタットバルブ7が第2冷却水路6を遮断し且つ第3冷却水路8とバイパス水路9とを導通させることになる。
【0075】
この結果、図6に示すように、機械式ウォーターポンプ10→ブロック側冷却水路2b→ヘッド側冷却水路2a→バイパス水路9→サーモスタットバルブ7→第3冷却水路8→機械式ウォーターポンプ10の順に冷却水が流れる第1の循環回路が成立すると同時に、機械式ウォーターポンプ10→ブロック側冷却水路2b→ヘッド側冷却水路2a→第1冷却水路4→第1ヒータホース11a→流路切換弁16→第3バイパス通路13c→電動ウォーターポンプ14→第2バイパス通路13b→蓄熱容器15→第1バイパス通路13a→第4ヒータホース11d→第3冷却水路8→機械式ウォーターポンプ10の順に冷却水が流れる第2の循環回路が成立する。
【0076】
上記したような第2の循環回路が成立すると、ヘッド側冷却水路2a及びブロック側冷却水路2b内を流通する高温の冷却水が第1冷却水路4、第1ヒータホース11a、流路切換弁16、第3バイパス通路13c、電動ウォーターポンプ14、及び第2バイパス通路13bを介して蓄熱容器15へ流入することになる。
【0077】
このように内燃機関1からの高温の冷却水が蓄熱容器15へ流入すると、それと入れ替わりに蓄熱容器15内に元々滞留していた冷却水が該蓄熱容器15から排出されることになる。
【0078】
一方、蓄熱容器15に高温の冷却水を回収する際に、サーモスタットバルブ7を流通する冷却水の温度(第1水温センサ17の出力信号値:Thw1)が開弁温度:Temp1以上であると、サーモスタットバルブ7がバイパス水路9を遮断し且つ第2冷却水路6と第3冷却水路8とを導通させることになる。
【0079】
この場合、図7に示すように、機械式ウォーターポンプ10→ブロック側冷却水路2b→ヘッド側冷却水路2a→第1冷却水路4→ラジエター5→第2冷却水路6→サーモスタットバルブ7→第3冷却水路8→機械式ウォーターポンプ10の順に冷却水が流れる第3の循環回路が成立すると同時に、機械式ウォーターポンプ10→ブロック側冷却水路2b→ヘッド側冷却水路2a→第1冷却水路4→第1ヒータホース11a→流路切換弁16→第3バイパス通路13c→電動ウォーターポンプ14→第2バイパス通路13b→蓄熱容器15→第1バイパス通路13a→第4ヒータホース11d→第3冷却水路8→機械式ウォーターポンプ10の順に冷却水が流れる第2の循環回路が成立する。
【0080】
上記したような第2の循環回路が成立すると、ヘッド側冷却水路2a及びブロック側冷却水路2b内を流通する高温の冷却水が第1冷却水路4、第1ヒータホース11a、流路切換弁16、第3バイパス通路13c、電動ウォーターポンプ14、及び第2バイパス通路13bを介して蓄熱容器15へ流入することになる。
【0081】
このように内燃機関1からの高温の冷却水が蓄熱容器15へ流入すると、それと入れ替わりに蓄熱容器15内に元々滞留していた冷却水が該蓄熱容器15から排出されることになる。
【0082】
ところで、上記したような温水回収制御の実行は、蓄熱容器15内の冷却水が内燃機関1からの温水とが入れ替わった時点で終了することが好ましい。
【0083】
これは、蓄熱容器15内の冷却水が内燃機関1からの温水と入れ替わる前に温水回収制御の実行が終了された場合には蓄熱容器15内に所望量の熱を蓄えることができなくなり、一方、蓄熱容器15内の冷却水が内燃機関1からの温水と入れ替わった後も温水回収制御が継続して行われた場合には蓄熱容器15内に一旦回収された温水が再び蓄熱容器15から排出されてしまい、蓄熱容器15内に所望量の熱を蓄えることができなくなる虞があるからである。
【0084】
ここで、蓄熱容器15が貯蔵可能な冷却水の量は一定であるため、温水回収制御の実行時において蓄熱容器15内へ単位時間当たりに流入する冷却水の量(以下、容器流入水量と称する)が特定されれば、蓄熱容器15への温水回収に要する時間(以下、温水回収所要時間:Tcolと称する)を一義的に特定することが可能となる。すなわち、容器流入水量が多くなるほど温水回収所要時間:Tcolが短くなるとともに、容器流入水量が少なくなるほど温水回収所要時間:Tcolが長くなる。
【0085】
単位時間当たりに蓄熱容器15内へ流入する冷却水の量(以下、容器流入水量と称する)は、機械式ウォーターポンプ10の作動状態、冷却水が循環する経路の状態、或いは、冷却水の粘性などの種々の条件に応じて変化する。
【0086】
例えば、機械式ウォーターポンプ10は内燃機関1のクランクシャフトの回転トルクを利用して作動するため、図8に示すように、機関回転数が高くなるほど機械式ウォーターポンプ10が単位時間当たりに吐出する冷却水量が増加し、それに応じて容器流入水量も増加する。
【0087】
また、サーモスタットバルブ7が第2冷却水路6を遮断し且つバイパス水路9を開放している時(サーモスタットバルブ7が閉弁している時)は冷却水がラジエター5を流れずにバイパス水路9を流れ、サーモスタットバルブ7が第2冷却水路6を開放し且つバイパス水路9を遮断している時(サーモスタットバルブ7が開弁している時)は冷却水がバイパス水路9を流れずにラジエター5を流れることになる。その際、ラジエター5による冷却水の圧力損失がバイパス水路9による冷却水の圧力損失より多ければ、冷却水がラジエター5を流れる場合の冷却水の流速は、冷却水がバイパス水路9を流れる場合に比して低くなる。
【0088】
従って、図9に示すように、サーモスタットバルブ7が開弁している場合の容器流入水量は、サーモスタットバルブ7が閉弁している場合に比して少なくなる。
【0089】
また、冷却水の粘性は該冷却水の温度が高くなるほど低下するため、冷却水の温度が高くなるほど該冷却水の流速も高くなり易い。このため、容器流入水量は、図10に示すように、冷却水の温度が高くなるほど高くなるとともに、冷却水の温度が低くなるほど低くなる。
【0090】
このように容器流入水量は、機関回転数、サーモスタットバルブ7の開閉状態、及び冷却水温度に応じて変化するため、温水回収制御の実行時における機関回転数、サーモスタットバルブ7の開閉状態、及び冷却水温度をパラメータとして温水回収所要時間:Tcolを特定することが可能となる。
【0091】
従って、サーモスタットバルブ7の開閉状態と機関回転数と冷却水温度とをパラメータとして温水回収所要時間:Tcolを演算することも可能であるが、本実施の形態では、サーモスタットバルブ7が開弁状態にある時の機関回転数と冷却水温度と温水回収所要時間:Tcolとの関係、及び、サーモスタットバルブ7が閉弁状態にある時の機関回転数と冷却水温度と温水回収所要時間:Tcolとの関係を予め実験的に求めておき、それらの関係を三次元マップ化してECU39のROMなどに記憶しておくようにした。
【0092】
尚、以下では、サーモスタットバルブ7が開弁状態にある時の機関回転数と冷却水温度と温水回収所要時間:Tcolとの関係を示すマップをサーモスタットバルブ開弁時制御マップと称し、サーモスタットバルブ7が閉弁状態にある時の機関回転数と冷却水温度と温水回収所要時間:Tcolとの関係を示すマップをサーモスタットバルブ閉弁時制御マップと称する。
【0093】
前記したサーモスタットバルブ開弁時制御マップ及びサーモスタットバルブ閉弁時制御マップは、例えば、機関回転数及び冷却水温度が高くなるほど温水回収所要時間:Tcolが短くなり且つ機関回転数及び冷却水温度が低くなるほど温水回収所要時間:Tcolが長くなるよう設定されるとともに、機関回転数及び冷却水温度が同一であるときはサーモスタットバルブ開弁時制御マップの温水回収所要時間:Tcolがサーモスタットバルブ閉弁時制御マップの温水回収所要時間:Tcolより長くなるよう設定される。
【0094】
上記したようなサーモスタットバルブ開弁時制御マップ及びサーモスタットバルブ閉弁時制御マップがECU39のROMに記憶されている場合には、ECU39は、温水回収制御において、先ず、第1水温センサ17の出力信号値:Thw1及び第2水温センサ18の出力信号値:Thw2を読み込むとともに、内燃機関1の機関回転数を演算する。
【0095】
続いて、ECU39は、第1水温センサ17の出力信号値:Thw1がサーモスタットバルブ7の開弁温度:Temp1以上であるか否かを判別する。
【0096】
第1水温センサ17の出力信号値:Thw1がサーモスタットバルブ7の開弁温度:Temp1未満である場合には、ECU39は、サーモスタットバルブ7が閉弁状態にあるとみなし、前記出力信号値:Thw2及び前記機関回転数をパラメータとしてサーモスタットバルブ閉弁時制御マップへアクセスする。ECU39は、前記サーモスタットバルブ閉弁時制御マップから前記出力信号値:Thw2及び前記機関回転数に対応した温水回収所要時間:Tcolを算出する。
【0097】
第1水温センサ17の出力信号値:Thw1がサーモスタットバルブの開弁温度:Temp1以上である場合には、ECU39は、サーモスタットバルブ7が開弁状態にあるとみなし、前記出力信号値:Thw2及び前記機関回転数をパラメータとしてサーモスタットバルブ開弁時制御マップへアクセスする。ECU39は、前記サーモスタットバルブ開弁時制御マップから前記出力信号値:Thw2及び前記機関回転数に対応した温水回収所要時間:Tcolを算出する。
【0098】
上記したように温水回収所要時間:Tcolが算出されると、ECU39は、前述した図6又は図7の説明で述べたような第2の循環回路を成立させるべく、電動ウォーターポンプ14及び流路切換弁16を制御する。具体的には、ECU39は、電動ウォーターポンプ14を停止状態とすべくバッテリ43から電動ウォーターポンプ14への電圧供給を遮断するとともに、第2ヒータホース11bを遮断し且つ第1ヒータホース11aと第3バイパス通路13cとを導通させるべく流路切換弁16を制御する。
【0099】
更に、ECU39は、電動ウォーターポンプ14を停止状態とすべくバッテリ43から電動ウォーターポンプ14への電圧供給を遮断するとともに、第2ヒータホース11bを遮断し且つ第1ヒータホース11aと第3バイパス通路13cとを導通させるべく流路切換弁16を制御した時点(温水回収制御実行開始時点)からの経過時間を計測するカウンタ:Cを起動させる。
【0100】
そして、ECU39は、前記カウンタ:Cの計測時間が温水回収所領時間に達した時点で温水回収制御の実行を終了する。すなわち、ECU39は、前記カウンタ:Cの計測時間が温水回収所要時間:Tcolに達した時点で、第3バイパス通路13cを遮断すべく流路切換弁16を制御する。
【0101】
尚、ECU39が流路切換弁16に対して流路切換信号を出力した時点から流路切換弁16が実際に切換動作を完了するまでには多少の時間(作動遅れ時間)がかかるため、その作動遅れ時間を考慮して温水回収制御の実行時間を決定する必要がある。
【0102】
例えば、流路切換弁16が第3バイパス通路13cを遮断した状態から第2ヒータホース11bを遮断した状態へ動作するときの作動遅れ時間を第1の作動遅れ時間:t1とし、流路切換弁16が第2ヒータホース11bを遮断した状態から第3バイパス通路13cを遮断した状態へ動作するときの作動遅れ時間を第2の作動遅れ時間:t2とすると、温水回収制御実行時間:Tは、
T=Tcol+t1−t2
という演算式で求めることができる。
【0103】
従って、ECU39は、前記したカウンタ:Cの計測時間が温水回収制御実行時間:Tに達した時点で温水回収制御の実行を終了するようにすればよい。
【0104】
以下、本実施の形態における温水回収制御について図11に沿って具体的に説明する。
図11は、温水回収制御ルーチンを示すフローチャート図である。温水回収制御ルーチンは、予めECU39のROMに記憶されているルーチンであり、ECU39によって所定時間毎に繰り返し実行されるルーチンである。
【0105】
温水回収制御ルーチンでは、ECU39は、先ず、S1101において、RAMに記憶されている第1水温センサ17の出力信号値:Thw1、第2水温センサ18の出力信号値:Thw2、及び機関回転数:Neを読み込む。
【0106】
S1102では、ECU39は、温水回収条件が成立しているか否かを判別する。温水回収条件としては、内燃機関1から流出する冷却水の温度、すなわち第2水温センサ18の出力信号値:Thw2が目標回収温度以上である、或いは第2水温センサ18の出力信号値:Thw2が蓄熱容器15内の冷却水温度より高い、等の条件を例示することができる。
【0107】
前記したS1102において温水回収条件が成立していないと判定された場合は、ECU39は、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【0108】
前記したS1102において温水回収条件が成立していると判定された場合は、ECU39は、S1103へ進み、前記S1101で読み込まれた出力信号値:Thw1がサーモスタットバルブ7の開弁温度:Temp1以上であるか否かを判別する。
【0109】
前記S1103において前記出力信号値:Thw1が前記開弁温度:Temp1以上であると判定された場合は、ECU39は、S1104において、ROMのサーモスタットバルブ開弁時制御マップへアクセスし、前記S1101で読み込まれた出力信号値:Thw2と機関回転数:Neとに対応した温水回収所要時間:Tcolを算出する。
【0110】
また、前記S1103において前記出力信号値:Thw1が前記開弁温度:Temp1未満であると判定された場合は、ECU39は、S1105において、ROMのサーモスタットバルブ閉弁時制御マップへアクセスし、前記S1101で読み込まれた出力信号値:Thw2と機関回転数:Neとに対応した温水回収所要時間:Tcolを算出する。
【0111】
前記S1104又は前記S1105において温水回収所要時間:Tcolを算出し終えたECU39は、S1106へ進み、前記温水回収所要時間:Tcolに第1の作動遅れ時間:t1を加算し、それにより得られた値(Tcol+t1)から第2の作動遅れ時間:t2を減算して温水回収制御実行時間:T(=Tcol−t1+t2)を算出する。
【0112】
S1107では、ECU39は、温水回収制御の実行を開始すべく電動ウォーターポンプ14及び流路切換弁16を制御する。具体的には、ECU39は、電動ウォーターポンプ14を停止状態とすべくバッテリ43から電動ウォーターポンプ14への電圧供給を遮断するとともに、第2ヒータホース11bを遮断し且つ第1ヒータホース11aと第3バイパス通路13cとを導通させるべく流路切換弁16を制御することにより、前述した図6又は図7の説明で述べたような第2の循環回路を成立させる。
【0113】
S1108では、ECU39は、カウンタ:Cを起動して温水回収制御実行開始時点からの経過時間を計測させる。
【0114】
S1109では、ECU39は、前記カウンタ:Cの計測時間:Cが前記S1106で算出された温水回収制御実行時間:T以上となったか否かを判別する。
【0115】
前記S1109において前記カウンタ:Cの計測時間:Cが前記温水回収制御実行時間:T未満であると判定された場合は、ECU39は、前記カウンタ:Cの計測時間:Cが前記温水回収制御実行時間:T以上となるまで、当該S1109の処理を繰り返し実行する。
【0116】
前記S1109において前記カウンタ:Cの計測時間:Cが前記温水回収制御実行時間:T以上であると判定された場合は、ECU39は、S1110へ進み、温水回収制御の実行を終了する。具体的には、ECU39は、電動ウォーターポンプ14を停止状態に維持すべくバッテリ43から電動ウォーターポンプ14への電圧供給を遮断するとともに、第3バイパス通路13cを遮断し且つ第1ヒータホース11aと第2ヒータホース11bとを導通させるべく流路切換弁16を制御する。
【0117】
そして、ECU39は、S1111においてカウンタ:Cの計測時間をリセットして本ルーチンの実行を終了する。
【0118】
このようにECU39が温水回収制御ルーチンを実行することにより、温水回収制御の実行は、実際に蓄熱容器15内の冷却水が内燃機関1からの温水と入れ替わった時点で終了されるようになる。
【0119】
この結果、蓄熱容器15内の冷却水が内燃機関1からの温水と入れ替わる前に温水回収制御の実行が終了されることがなくなるとともに、蓄熱容器15内の冷却水が内燃機関1からの温水と入れ替わった後も温水回収制御の実行が継続されることもなくなる。
【0120】
従って、本実施の形態に係る蓄熱装置を備えた内燃機関によれば、所望の目標回収温度以上の温水を蓄熱容器15内へ確実に回収することが可能となる。
【0121】
<実施の形態2>
次に、本発明に係る蓄熱装置を備えた内燃機関の第2の実施態様について図12〜図21に基づいて説明する。ここでは前述した第1の実施の形態と異なる構成について説明し、同一の構成については説明を省略する。
【0122】
図12は、本発明を適用する内燃機関の冷却水循環系の第2の実施態様を示す図である。
【0123】
本実施の形態と前述した第1の実施の形態との差異は、前述した第1の実施の形態では蓄熱容器15が許容する冷却水の流れ方向と機械式ウォーターポンプ10が発生する冷却水の流れ方向とが同一方向であるのに対し、本実施の形態では蓄熱容器15が許容する冷却水の流れ方向と機械式ウォーターポンプ10が発生する冷却水の流れ方向とが逆方向となる点にある。
【0124】
具体的には、図12に示すように、ヒータホース11においてヒータコア12と第3冷却水路8との間に位置する部位には第1バイパス通路13aが接続され、この第1バイパス通路13aが電動ウォーターポンプ14の冷却水吸い込み口に接続されている。続いて、電動ウォーターポンプ14の冷却水吐出口は第2バイパス通路13bを介して蓄熱容器15の冷却水入口15aに接続されている。更に、蓄熱容器15の冷却水出口15bは、第3バイパス通路13cを介して、ヒータコア12と第1冷却水路4との間に位置するヒータホース11に接続されている。
【0125】
ここで、ヒータコア12と第1冷却水路4との間に位置するヒータホース11において、第3バイパス通路13cの接続部位を基準にして第1冷却水路4側の部位を第1ヒータホース11aと称するとともに、ヒータコア12側の部位を第2ヒータホース11bと称するものとする。更に、ヒータコア12と第3冷却水路8との間に位置するヒータホース11において、第1バイパス通路13aの接続部位を基準にしてヒータコア12側の部位を第3ヒータホース11cと称するとともに、第3冷却水路8側の部位を第4ヒータホース11dと称するものとする。
【0126】
前記した第1ヒータホース11aと第2ヒータホース11bと第3バイパス通路13cとの接続部には、前述した第1の実施の形態と同様に流路切換弁16が設けられている。
【0127】
このように構成された冷却水循環系では、ECU39は、以下のような方法により冷却水流れ切換制御を実行する。
【0128】
先ず、内燃機関1が運転状態にあり且つヒータスイッチ42がオフ状態にあるときは、ECU39は、第2ヒータホース11bを遮断させるべく流路切換弁16を制御するとともに、電動ウォーターポンプ14を停止状態とすべくバッテリ43から電動ウォーターポンプ14への電圧供給を遮断する。
【0129】
この場合、電動ウォーターポンプ14が作動せずに機械式ウォーターポンプ10のみが作動することになり、その際の冷却水の温度がサーモスタットバルブ7の開弁温度:Temp1未満であれば該サーモスタットバルブ7が第2冷却水路6を遮断すると同時にバイパス水路9を開放することになる。
【0130】
従って、内燃機関1が運転状態にあり且つヒータスイッチ42がオフ状態にあるときに冷却水の温度がサーモスタットバルブ7の開弁温度:Temp1未満であると、図13に示すように、機械式ウォーターポンプ10→ブロック側冷却水路2b→ヘッド側冷却水路2a→バイパス水路9→サーモスタットバルブ7→第3冷却水路8→機械式ウォーターポンプ10の順に冷却水が流れる循環回路が成立する。
【0131】
図13に示すような循環回路が成立した場合は、内燃機関1から流出した比較的低温の冷却水がラジエター5を迂回して流れることになるため、冷却水がラジエター5によって不要に冷却されないことになる。この結果、内燃機関1の暖機が妨げられることがない。
【0132】
その後、内燃機関1の暖機が完了して、冷却水の温度がサーモスタットバルブ7の開弁温度:Temp1以上になると、サーモスタットバルブ7が第2冷却水路6を開放すると同時にバイパス水路9を遮断することになる。
【0133】
従って、内燃機関1が運転状態にあり且つヒータスイッチ42がオフ状態にあるときに冷却水の温度がサーモスタットバルブ7の開弁温度:Temp1以上であると、図14に示すように、機械式ウォーターポンプ10→ブロック側冷却水路2b→ヘッド側冷却水路2a→第1冷却水路4→ラジエター5→第2冷却水路6→サーモスタットバルブ7→第3冷却水路8→機械式ウォーターポンプ10の順に冷却水が流れる循環回路が成立する。
【0134】
図14に示すような循環回路が成立した場合は、内燃機関1から流出した比較的高温の冷却水がラジエター5を流通することになるため、冷却水の熱がラジエター5において外気へ放出され、冷却水の温度が低下する。この結果、ラジエター5を通過した後の比較的低温の冷却水が内燃機関1のヘッド側冷却水路2a及びブロック側冷却水路2bへ流入することになるため、内燃機関1の熱が冷却水へ伝達され、以て内燃機関1の過熱が防止される。
【0135】
また、内燃機関1が運転状態にあり且つ冷却水の温度がサーモスタットバルブ7の開弁温度:Temp1以上であるときに、ヒータスイッチ42がオンにされると、ECU39は、電動ウォーターポンプ14を停止状態に維持すべくバッテリ43から電動ウォーターポンプ14への電圧供給を遮断しつつ、第3バイパス通路13cを遮断し且つ第1ヒータホース11aと第2ヒータホース11bを導通させるべく流路切換弁16を制御する。
【0136】
この場合、図15に示すように、前述した図14の説明で述べた循環回路と同一の循環回路が成立すると同時に、機械式ウォーターポンプ10→ブロック側冷却水路2b→ヘッド側冷却水路2a→第1冷却水路4→第1ヒータホース11a→流路切換弁16→第2ヒータホース11b→ヒータコア12→第3ヒータホース11c→第4ヒータホース11d→第3冷却水路8→機械式ウォーターポンプ10の順に冷却水が流れる循環回路が成立する。
【0137】
図15に示すような循環回路が成立した場合には、内燃機関1から流出した比較的高温の冷却水がヒータコア12へ流入することになるため、ヒータコア12において冷却水の熱が室内暖房用空気へ伝達されることになる。この結果、室内暖房用空気の温度が高められる。
【0138】
また、内燃機関1が冷間始動される場合には、ECU39は、内燃機関1の始動直前(内燃機関1のクランキングが開始される前)に、第2ヒータホース11bを遮断すべく流路切換弁16を制御するとともに、電動ウォーターポンプ14を作動させるべくバッテリ43から電動ウォーターポンプ14への電圧供給を許容する。
【0139】
この場合、第1ヒータホース11aと第3バイパス通路13cとが導通するとともに、機械式ウォーターポンプ10が作動せずに電動ウォーターポンプ14のみが作動することになる。
【0140】
従って、図16に示すように、電動ウォーターポンプ14→第2バイパス通路13b→蓄熱容器15→第3バイパス通路13c→流路切換弁16→第1ヒータホース11a→第1冷却水路4→ヘッド側冷却水路2a→ブロック側冷却水路2b→機械式ウォーターポンプ10→第3冷却水路8→第4ヒータホース11d→第1バイパス通路13a→電動ウォーターポンプ14の順に冷却水が流れる循環回路が成立する。
【0141】
図16に示すような循環回路が成立すると、電動ウォーターポンプ14から吐出された冷却水が第2バイパス通路13bを介して蓄熱容器15内へ流入し、それと入れ替わりに蓄熱容器15内に貯えられていた高温な冷却水(以下、蓄熱温水と称する)が冷却水出口15bから排出される。
【0142】
蓄熱容器15の冷却水出口15bから排出された蓄熱温水は、第3バイパス通路13c、流路切換弁16、第1ヒータホース11a、及び第1冷却水路4を介して内燃機関1のヘッド側冷却水路2aへ流入し、次いでヘッド側冷却水路2aからブロック側冷却水路2bへ流入することになる。
【0143】
このように蓄熱容器15に貯蔵されていた蓄熱温水がヘッド側冷却水路2a及びブロック側冷却水路2bへ流入すると、それと入れ替わりにヘッド側冷却水路2a内及びブロック側冷却水路2b内に元々滞留していた低温の冷却水がヘッド側冷却水路2a及びブロック側冷却水路2bから排出される。
【0144】
その際、ECU39は、内燃機関1のヘッド側冷却水路2a及びブロック側冷却水路2b内に元々滞留していた低温の冷却水が蓄熱温水と入れ替わった時点(例えば、第2水温センサ18の出力信号値が所定温度以上になった時点)で電動ウォーターポンプ14の作動を停止すべくバッテリ43から電動ウォーターポンプ14への電圧供給を遮断し、蓄熱温水がヘッド側冷却水路2a及びブロック側冷却水路2b内に滞留するようにする。
【0145】
この場合、蓄熱温水が持つ熱の略全てがシリンダヘッド1a及びシリンダブロック1bへ効率的に伝達され、シリンダヘッド1a及びシリンダブロック1bが速やかに昇温する。
【0146】
このようにシリンダヘッド1a及びシリンダブロック1bが蓄熱温水によって暖められると、吸気ポートや燃焼室の雰囲気温度が上昇するため、内燃機関1の始動時における燃料の気化が促進されるとともに圧縮端温度が高められる。
【0147】
この結果、内燃機関1において、燃料の着火性の向上、燃料の燃焼安定性の向上、壁面付着燃料量の減少等が図られることとなり、以て内燃機関1の始動性の向上、暖機運転時間の短縮、排気エミッションの向上などを図ることが可能となる。
【0148】
次に、本実施の形態における温水回収制御について述べる。
本実施の形態における冷却水循環系では、蓄熱容器15が許容する冷却水の流れ方向と機械式ウォーターポンプ10が発生する冷却水の流れ方向とが逆方向であるため、内燃機関1が運転状態にあるときに蓄熱容器15内へ高温の冷却水を回収するには、電動ウォーターポンプ14により冷却水の流れ方向を一時的に逆転させる必要がある。
【0149】
そこで、本実施の形態における温水回収制御では、ECU39は、第2ヒータホース11bを遮断すべく流路切換弁16を制御するとともに、電動ウォーターポンプ14を作動させるべくバッテリ43から電動ウォーターポンプ14への電圧供給を許容することにより、機械式ウォーターポンプ10が発生する循環流と逆方向の循環流を発生させ、以て図14又は図15の説明で述べたような冷却水の流れに抗して前述した図16の説明で述べたような冷却水の流れを成立させる。
【0150】
このように機械式ウォーターポンプ10が発生する循環流に抗して前述した図16の説明で述べたような冷却水の流れが成立すると、内燃機関1のヘッド側冷却水路2a及びブロック側冷却水路2b内の高温の冷却水は、機械式ウォーターポンプ10→第4ヒータホース11d→第1バイパス通路13a→電動ウォーターポンプ14→第2バイパス通路13bを経由して蓄熱容器15へ流入し、それと入れ替わりに蓄熱容器15内に元々滞留していた冷却水が該蓄熱容器15から排出されることになる。
【0151】
その際、単位時間当たりに蓄熱容器15内へ流入する冷却水の量(以下、容器流入水量と称する)は、電動ウォーターポンプ14によって発生される循環流の流速に応じて変化することになる。電動ウォーターポンプ14によって発生される循環流の流速は、機械式ウォーターポンプ10の作動状態、冷却水が循環する経路の状態、及び冷却水の粘性等の種々の条件に応じて変化する。
【0152】
例えば、容器流入水量は、電動ウォーターポンプ14により発生される循環流の流速が高くなるほど増加するとともに電動ウォーターポンプ14により発生される循環流の流速が低くなるほど低下する。
【0153】
また、電動ウォーターポンプ14により発生される循環流の流速は、機械式ウォーターポンプ10が単位時間当たりに吐出する冷却水の量(以下、単に吐出量と記す)が多くなるほど低下するとともに機械式ウォーターポンプ10の吐出量が少なくなるほど高くなる。
【0154】
機械式ウォーターポンプ10の吐出量は、内燃機関1の機関回転数が高くなるほど増加するとともに内燃機関1の機関回転数が低下するほど減少する。
【0155】
従って、容器流入水量は、図17に示すように、内燃機関1の機関回転数が高くなるほど減少するとともに機関回転数が低くなるほど増加することになる。
【0156】
また、機械式ウォーターポンプ10によって発生される循環流の流速は、サーモスタットバルブ7が閉弁している時に比してサーモスタットバルブ7が開弁している時の方が低くなる。
【0157】
その際、電動ウォーターポンプ14により発生される循環流の流速は、機械式ウォーターポンプ10により発生される循環流の流速が高くなるほど低下するとともに機械式ウォーターポンプ10により発生される循環流の流速が低下するほど高くなるため、サーモスタットバルブ7が閉弁している時に電動ウォーターポンプ14によって発生される循環流の流速は、サーモスタットバルブ7が開弁している時に電動ウォーターポンプ14によって発生される循環流の流速より低くなる。
【0158】
従って、容器流水量は、図18に示すように、サーモスタットバルブ7が閉弁している時に比してサーモスタットバルブ7が開弁している時の方が多くなる。
【0159】
また、機械式ウォーターポンプ10又は電動ウォーターポンプ14により発生される循環流の流速は、冷却水の粘性が高くなるほど低くなるとともに、冷却水の粘性が低くなるほど高くなる。冷却水の粘性は該冷却水の温度が高くなるほど低下するとともに該冷却水の温度が低くなるほど高くなるため、機械式ウォーターポンプ10又は電動ウォーターポンプ14により発生される循環流の流速は、冷却水の温度が高くなるほど高くなるとともに冷却水の温度が低くなるほど低くなる。
【0160】
尚、機械式ウォーターポンプ10と電動ウォーターポンプ14とは配置や構造などが相違するため、冷却水の粘性が機械式ウォーターポンプ10へ作用する度合いと冷却水の粘性が電動ウォーターポンプ14へ作用する度合いとは異なることが想定される。
【0161】
従って、冷却水の粘性が機械式ウォーターポンプ10へ作用する度合いに比して冷却水の粘性が電動ウォーターポンプ14へ作用する度合いが高い場合は、容器流水量は、図19(a)に示すように、冷却水温度が高くなるほど増加するとともに、冷却水温度が低くなるほど減少することになる。一方、冷却水の粘性が電動ウォーターポンプ14へ作用する度合いに比して冷却水の粘性が機械式ウォーターポンプ10へ作用する度合いが高い場合は、容器流水量は、図19(b)に示すように、冷却水温度が低くなるほど増加するとともに、冷却水温度が高くなるほど減少することになる。
【0162】
また、電動ウォーターポンプ14が発生する循環流の流速は、該電動ウォーターポンプ14に印加される駆動電圧の高さに応じて変化し、電動ウォーターポンプ14に印加される駆動電圧の高さはバッテリ43の出力電圧によって変化するため、電動ウォーターポンプ14が発生する循環流の流速はバッテリ43の出力電圧に応じて変化することになる。すなわち、電動ウォーターポンプ14が発生する循環流の流速は、バッテリ43の出力電圧が高くなるほど高くなるとともにバッテリ43の出力電圧が低くなるほど低くなる。
【0163】
従って、容器流入水量は、図20に示すように、バッテリ43の出力電圧が高くなるほど増加するとともに、バッテリ43の出力電圧が低くなるほど減少する。
【0164】
このように容器流入水量は、機関回転数、サーモスタットバルブ7の開閉状態、冷却水温度、及びバッテリ43の出力電圧に応じて変化するため、温水回収制御の実行時における機関回転数、サーモスタットバルブ7の開閉状態、冷却水温度、及びバッテリ43の出力電圧をパラメータとして温水回収所要時間:Tcolを特定することが可能となる。
【0165】
この結果、サーモスタットバルブ7の開閉状態、機関回転数、冷却水温度、及びバッテリ43の出力電圧をパラメータとして温水回収所要時間:Tcolを演算することが可能となるが、本実施の形態では、サーモスタットバルブ7が開弁状態にある時の機関回転数と冷却水温度とバッテリ43の出力電圧と温水回収所要時間:Tcolとの関係、及び、サーモスタットバルブ7が閉弁状態にある時の機関回転数と冷却水温度とバッテリ43の出力電圧と温水回収所要時間:Tcolとの関係を予め実験的に求めておき、それらの関係を四次元マップ化してECU39のROMなどに記憶しておくものとする。
【0166】
尚、以下では、サーモスタットバルブ7が開弁状態にある時の機関回転数と冷却水温度とバッテリ43の出力電圧と温水回収所要時間:Tcolとの関係を示すマップをサーモスタットバルブ開弁時制御マップと称し、サーモスタットバルブ7が閉弁状態にある時の機関回転数と冷却水温度とバッテリ43の出力電圧と温水回収所要時間:Tcolとの関係を示すマップをサーモスタットバルブ閉弁時制御マップと称する。
【0167】
前記したサーモスタットバルブ開弁時制御マップ及びサーモスタットバルブ閉弁時制御マップは、例えば、冷却水の粘性が機械式ウォーターポンプ10へ作用する度合いに比して冷却水の粘性が電動ウォーターポンプ14へ作用する度合いが高い場合は、機関回転数が低く且つ冷却水温度及びバッテリ43の出力電圧が高くなるほど温水回収所要時間:Tcolが短くなるとともに、機関回転数が高く且つ冷却水温度及びバッテリ43の出力電圧が低くなるほど温水回収所要時間:Tcolが長くなるよう設定される。
【0168】
一方、前記したサーモスタットバルブ開弁時制御マップ及びサーモスタットバルブ閉弁時制御マップは、例えば、冷却水の粘性が電動ウォーターポンプ14へ作用する度合いに比して冷却水の粘性が機械式ウォーターポンプ10へ作用する度合いが高い場合は、機関回転数及び冷却水温度が低く且つバッテリ43の出力電圧が高くなるほど温水回収所要時間:Tcolが短くなるとともに、機関回転数及び冷却水温度が高く且つバッテリ43の出力電圧が低くなるほど温水回収所要時間:Tcolが長くなるよう設定される。
【0169】
尚、機関回転数、冷却水温度、バッテリ43の出力電圧が同一であるときはサーモスタットバルブ開弁時制御マップの温水回収所要時間:Tcolがサーモスタットバルブ閉弁時制御マップの温水回収所要時間:Tcolより短くなるよう設定されることが好ましい。
【0170】
上記したようなサーモスタットバルブ開弁時制御マップ及びサーモスタットバルブ閉弁時制御マップがECU39のROMに記憶されている場合には、ECU39は、温水回収制御において、先ず、第1水温センサ17の出力信号値:Thw1、第2水温センサ18の出力信号値:Thw2、及びバッテリ43の出力電圧(バッテリ電圧):Vbatを読み込むとともに、内燃機関1の機関回転数を演算する。
【0171】
続いて、ECU39は、第1水温センサ17の出力信号値:Thw1がサーモスタットバルブ7の開弁温度:Temp1以上であるか否かを判別する。
【0172】
第1水温センサ17の出力信号値:Thw1がサーモスタットバルブ7の開弁温度:Temp1未満である場合には、ECU39は、サーモスタットバルブ7が閉弁状態にあるとみなし、前記出力信号値:Thw2、前記バッテリ電圧:Vbat、及び前記機関回転数をパラメータとしてサーモスタットバルブ閉弁時制御マップへアクセスする。ECU39は、前記サーモスタットバルブ閉弁時制御マップから前記出力信号値:Thw2、前記バッテリ電圧:Vbat、及び前記機関回転数に対応した温水回収所要時間:Tcolを算出する。
【0173】
一方、第1水温センサ17の出力信号値:Thw1がサーモスタットバルブの開弁温度:Temp1以上である場合には、ECU39は、サーモスタットバルブ7が開弁状態にあるとみなし、前記出力信号値:Thw2、前記バッテリ電圧:Vbat、及び前記機関回転数をパラメータとしてサーモスタットバルブ開弁時制御マップへアクセスする。ECU39は、前記サーモスタットバルブ開弁時制御マップから前記出力信号値:Thw2、前記バッテリ電圧:Vbat、及び前記機関回転数に対応した温水回収所要時間:Tcolを算出する。
【0174】
このようにして温水回収所要時間:Tcolが算出されると、ECU39は、流路切換弁16が第3バイパス通路13cを遮断した状態から第2ヒータホース11bを遮断した状態へ動作するときの作動遅れ時間(第1の作動遅れ時間):t1と、流路切換弁16が第2ヒータホース11bを遮断した状態から第3バイパス通路13cを遮断した状態へ動作するときの作動遅れ時間(第2の作動遅れ時間):t2とを用いて温水回収所要時間:Tcolを補正して、温水回収制御実行時間:T(=Tcol+t1−t2)を算出する。
【0175】
続いて、ECU39は、前述した図16の説明で述べたような循環回路を成立させるべく、電動ウォーターポンプ14及び流路切換弁16を制御する。具体的には、ECU39は、電動ウォーターポンプ14を作動させるべくバッテリ43から電動ウォーターポンプ14への電圧供給を許容するとともに、第2ヒータホース11bを遮断し且つ第1ヒータホース11aと第3バイパス通路13cとを導通させるべく流路切換弁16を制御する。
【0176】
更に、ECU39は、上記したような温水回収制御の実行開始時点からの経過時間を計測するカウンタ:Cを起動させる。
【0177】
そして、ECU39は、前記カウンタ:Cの計測時間が前記温水回収制御実行時間:Tに達した時点で温水回収制御の実行を終了する。すなわち、ECU39は、前記カウンタ:Cの計測時間が温水回収制御実行時間:Tに達した時点で、電動ウォーターポンプ14を停止させるべくバッテリ43から電動ウォーターポンプ14への電圧供給を遮断するとともに、第3バイパス通路13cを遮断すべく流路切換弁16を制御する。
【0178】
以下、本実施の形態における温水回収制御について図21に沿って具体的に説明する。
図21は、本実施の形態における温水回収制御ルーチンを示すフローチャート図である。
【0179】
温水回収制御ルーチンでは、ECU39は、先ず、S2101において、RAMに記憶されている第1水温センサ17の出力信号値:Thw1、第2水温センサ18の出力信号値:Thw2、バッテリの出力電圧(バッテリ電圧):Vbat、及び機関回転数:Neを読み込む。
【0180】
S2102では、ECU39は、温水回収条件が成立しているか否かを判別する。
【0181】
前記したS2102において温水回収条件が成立していないと判定された場合は、ECU39は、本ルーチンの実行を一旦終了する。
【0182】
前記したS2102において温水回収条件が成立していると判定された場合は、ECU39は、S2103へ進み、前記S2101で読み込まれた出力信号値:Thw1がサーモスタットバルブ7の開弁温度:Temp1以上であるか否かを判別する。
【0183】
前記S2103において前記出力信号値:Thw1が前記開弁温度:Temp1以上であると判定された場合は、ECU39は、S2104において、ROMのサーモスタットバルブ開弁時制御マップへアクセスし、前記S2101で読み込まれた出力信号値:Thw2とバッテリ電圧:Vbatと機関回転数:Neとに対応した温水回収所要時間:Tcolを算出する。
【0184】
また、前記S2103において前記出力信号値:Thw1が前記開弁温度:Temp1未満であると判定された場合は、ECU39は、S2105において、ROMのサーモスタットバルブ閉弁時制御マップへアクセスし、前記S2101で読み込まれた出力信号値:Thw2とバッテリ電圧:Vbatと機関回転数:Neとに対応した温水回収所要時間:Tcolを算出する。
【0185】
前記S2104又は前記S2105において温水回収所要時間:Tcolを算出し終えたECU39は、S2106へ進み、前記温水回収所要時間:Tcolに第1の作動遅れ時間:t1を加算し、それにより得られた値(Tcol+t1)から第2の作動遅れ時間:t2を減算して温水回収制御実行時間:T(=Tcol−t1+t2)を算出する。
【0186】
S2107では、ECU39は、温水回収制御の実行を開始すべく電動ウォーターポンプ14及び流路切換弁16を制御する。具体的には、ECU39は、電動ウォーターポンプ14を作動させるべくバッテリ43から電動ウォーターポンプ14への電圧供給を許容するとともに、第2ヒータホース11bを遮断し且つ第1ヒータホース11aと第3バイパス通路13cとを導通させるべく流路切換弁16を制御することにより、機械式ウォーターポンプ10により発生された循環流に抗して前述した図16の説明で述べたような循環回路を成立させる。
【0187】
S2108では、ECU39は、カウンタ:Cを起動して温水回収制御実行開始時点からの経過時間を計測させる。
【0188】
S2109では、ECU39は、前記カウンタ:Cの計測時間:Cが前記S2106で算出された温水回収制御実行時間:T以上となったか否かを判別する。
【0189】
前記S2109において前記カウンタ:Cの計測時間:Cが前記温水回収制御実行時間:T未満であると判定された場合は、ECU39は、前記カウンタ:Cの計測時間:Cが前記温水回収制御実行時間:T以上となるまで、当該S2109の処理を繰り返し実行する。
【0190】
前記S2109において前記カウンタ:Cの計測時間:Cが前記温水回収制御実行時間:T以上であると判定された場合は、ECU39は、S2110へ進み、温水回収制御の実行を終了する。具体的には、ECU39は、電動ウォーターポンプ14を停止させるべくバッテリ43から電動ウォーターポンプ14への電圧供給を遮断するとともに、第3バイパス通路13cを遮断し且つ第1ヒータホース11aと第2ヒータホース11bとを導通させるべく流路切換弁16を制御する。
【0191】
そして、ECU39は、S2111においてカウンタ:Cの計測時間をリセットして本ルーチンの実行を終了する。
【0192】
このようにECU39が温水回収制御ルーチンを実行することにより、温水回収制御の実行は、実際に蓄熱容器15内の冷却水が内燃機関1からの温水と入れ替わった時点で終了されるようになる。
【0193】
この結果、蓄熱容器15内の冷却水が内燃機関1からの温水と入れ替わる前に温水回収制御の実行が終了されることがなくなるとともに、蓄熱容器15内の冷却水が内燃機関1からの温水と入れ替わった後も温水回収制御の実行が継続されることもなくなる。
【0194】
従って、本実施の形態に係る蓄熱装置を備えた内燃機関によれば、所望の目標回収温度以上の温水を蓄熱容器15内へ確実に回収することが可能となる。
【0195】
尚、本実施の形態では、内燃機関1の運転時に温水回収制御を実行する例について述べたが、内燃機関1の運転が停止された直後に温水回収制御を実行するようにしてもよい。その場合、温水回収所要時間:Tcolは、冷却水の温度とバッテリ43の出力電圧とをパラメータとして決定されるようにすればよい。
【0196】
【発明の効果】
本発明に係る蓄熱装置を備えた内燃機関によれば、循環回路内の高温の熱媒体を蓄熱容器へ回収する場合に、蓄熱容器へ単位時間当たりに流入する熱媒体の量と相関のある機関回転数をパラメータとして回収所要時間が決定されるため、蓄熱容器内の熱媒体が循環回路内の高温の熱媒体と入れ替わる前に回収処理が終了することがなくなるとともに、蓄熱容器内の熱媒体が循環回路内の高温の熱媒体と入れ替わった後も回収処理が継続されることがない。この結果、循環回路内の熱媒体が持つ熱を効率的に蓄熱容器に蓄えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1の実施の形態における内燃機関の冷却水循環系を示す図
【図2】 内燃機関が冷間状態で運転されているときの冷却水の流れを示す図
【図3】 内燃機関の暖機完了後における冷却水の流れを示す図
【図4】 内燃機関の暖機完了後においてヒータスイッチがオン状態にあるときの冷却水の流れを示す図
【図5】 蓄熱温水により内燃機関を暖めるときの冷却水の流れを示す図
【図6】 蓄熱容器内に高温の冷却水を回収するときの冷却水の流れを示す図(1)
【図7】 蓄熱容器内に高温の冷却水を回収するときの冷却水の流れを示す図(2)
【図8】 容器流入水量と機関回転数との関係を示す図
【図9】 容器流入水量とサーモスタットバルブの開閉状態と機関回転数との関係を示す図
【図10】 容器流入水量と冷却水温度と機関回転数との関係を示す図
【図11】 第1の実施の形態における温水回収制御ルーチンを示すフローチャート図
【図12】 第2の実施の形態における内燃機関の冷却水循環系を示す図
【図13】 内燃機関が冷間状態で運転されているときの冷却水の流れを示す図
【図14】 内燃機関の暖機完了後における冷却水の流れを示す図
【図15】 内燃機関の暖機完了後においてヒータスイッチがオン状態にあるときの冷却水の流れを示す図
【図16】 蓄熱温水により内燃機関を暖める時及び蓄熱容器へ高温の冷却水を回収するときの冷却水の流れを示す図
【図17】 容器流入水量と機関回転数との関係を示す図
【図18】 容器流入水量とサーモスタットバルブの開閉状態と機関回転数との関係を示す図
【図19】 (a)容器流入水量と冷却水温度と機関回転数との関係を示す図(1)
(b)容器流入水量と冷却水温度と機関回転数との関係を示す図(2)
【図20】 容器流入水量とバッテリ電圧と機関回転数との関係を示す図
【図21】 第2の実施の形態における温水回収制御ルーチンを示すフローチャート図
【符号の説明】
1・・・・内燃機関
1a・・・シリンダヘッド
1b・・・シリンダブロック
2a・・・ヘッド側冷却水路
2b・・・ブロック側冷却水路
5・・・・ラジエター
10・・・機械式ウォータポンプ
12・・・ヒータコア
14・・・電動ウォーターポンプ
15・・・蓄熱容器
16・・・流路切換弁
39・・・ECU
43・・・バッテリ

Claims (2)

  1. 内燃機関を経由して熱媒体が循環する経路であって、熱媒体を冷却する冷却機構、前記冷却機構を迂回するバイパス通路、及び、前記冷却機構又は前記バイパス通路を遮断する流路切換弁を具備する循環回路と、
    前記内燃機関の回転力を利用して前記熱媒体の循環流を発生させるポンプ機構と、
    前記循環回路内の熱媒体の一部を蓄熱状態で貯蔵する蓄熱容器と、
    前記循環回路内の熱媒体を前記蓄熱容器に回収するときに、前記内燃機関の機関回転数と前記流路切換弁の状態とに基づいて回収所要時間を演算する演算手段と、
    前記演算手段により算出された回収所要時間に従って熱媒体の回収処理を行う回収手段と、
    を備えることを特徴とする蓄熱装置を備えた内燃機関。
  2. 内燃機関を経由して熱媒体が循環する循環回路と、
    前記循環回路内の熱媒体の温度を検出する温度検出手段と、
    前記内燃機関の回転力を利用して前記熱媒体の循環流を発生させるポンプ機構と、
    前記循環回路内の熱媒体の一部を蓄熱状態で貯蔵する蓄熱容器と、
    前記循環回路内の熱媒体を前記蓄熱容器に回収するときに、前記内燃機関の機関回転数と前記温度検出手段により検出された熱媒体の温度とに基づいて回収所要時間を演算する演算手段と、
    前記演算手段により算出された回収所要時間に従って熱媒体の回収処理を行う回収手段と、
    を備えることを特徴とする蓄熱装置を備えた内燃機関。
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