JP4345754B2 - 蓄熱装置及びエンジン - Google Patents

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、過冷却状態から相変化をする際に発熱する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）。この蓄熱剤は、以下のような特性を有する。まず、運転中のエンジンによって加熱され、熱を蓄える。このとき、蓄熱剤の温度がその融点以上であれば蓄熱剤は液相となっている。その後、エンジンが停止し、エンジンの温度が低下すると、蓄熱剤の温度も低下する。この際、蓄熱剤は融点以下の温度となっても相変化を起こすことなく液相状態を保ち、蓄えた熱を潜熱として維持する。すなわち、過冷却状態となる。そして、この過冷却状態にある蓄熱剤に相変化のきっかけが与えられると、蓄えていた熱を放出しつつ、液相から固相への相変化を起こす。この放出された熱がエンジンの暖機に利用されることとなる。液相から固相への相変化を終えた蓄熱剤は、運転中のエンジンによって加熱されると、エンジンの燃焼熱等を吸熱し、再び熱を蓄える。特許文献１記載のエンジンの急速暖機装置では、このような蓄熱剤をシリンダの周囲に設けた蓄熱材収容室に収容してエンジンの暖機を図っている。

一方、通常、エンジンには、冷却水を流通させるウォータジャケット等の冷却機構が搭載される。この点、特許文献１記載のエンジンの急速暖機装置では、シリンダブロックのシリンダ周囲に蓄熱材収容室が形成され、この蓄熱材収容室に収容された蓄熱剤の吸熱作用によってシリンダブロック側が冷却される旨、記載されている。また、ウォータジャケットを流通する冷却水の強制循環によりシリンダヘッド側が冷却される旨、記載されている。なお、特許文献１には、ウォータジャケットが蓄熱材収容室の上側に設けられた実施例が開示されている。

特開平１１−１８２３９３号公報

しかし、以上説明したような特許文献１記載のエンジンの急速暖機装置は、過冷却状態にある液相から固相への相変化を伴った潜熱の放出を完了した後、再び液相に相変化するときに吸熱作用を伴う。このような吸熱作用は、エンジンのシリンダブロックから熱を奪うこととなるので、早期暖機の効率を損ねることも懸念される。より具体的に説明すると、エンジンの高負荷高回転時のようにエンジンの冷却が必要となるようなタイミングでの吸熱作用はエンジンの冷却に効果的である。しかし、完全に暖機が完了しておらずエンジンの燃焼熱等が未だエンジンの暖機に寄与しているようなタイミングでは、シリンダの周囲に配置された蓄熱剤がシリンダブロックから熱を奪ってしまい。却ってエンジンの暖機を妨げることになりかねない。

また、特許文献１記載のエンジンの急速暖機装置では、シリンダと蓄熱剤との間に冷却水は介在していないことから、エンジンの効率的な冷却が必要となる場面で、適切な冷却効果を得ることができないおそれがある。

そこで、本発明は、エンジンの早期暖機を達成することができるとともに、エンジンの効率的な冷却効果を得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、シリンダボア壁を囲うように設けられたウォータジャケット内に収容される容器と、当該容器内に封入された蓄熱剤と、エンジンの運転状況に応じて当該容器と前記シリンダボア壁との間隔を調節する間隔調整手段を備えていることを特徴とする（請求項１）。このような間隔調整手段が作動すると、容器に封入された蓄熱剤をシリンダボア壁に接触させ、さらに適切なタイミングで蓄熱剤をシリンダボア壁から離間させることができ、効率よくエンジンの早期暖機を行うことができる。また、エンジンの高負荷高回転時等、暖機完了後に熱的に厳しい運転条件下にあるときに容器とシリンダボア壁との間に冷却水を流通させることにより適切な冷却効果を確保することができる。ここで、間隔調整手段を作動させるためのパラメータは蓄熱剤又は冷却水の温度とすることができる（請求項２）。
なお、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、過冷却状態から相変化を開始させるための条件が整うことにより、潜熱を取り出すことができる物質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（ＣＨ_３ＣＯＯＮａ・３（Ｈ_２Ｏ））を採用することができる。

このような蓄熱装置における前記容器は、それぞれ前記シリンダボア壁の外周形状に対応した壁形状を有する複数の容器を含む構成とすることができる（請求項４）。本発明の容器が収容されるウォータジャケットは、シリンダボア壁を囲うように形成される。このため、シリンダに対するピストンの摺動方向と直角をなす方向で断面としたのウォータジャケットの断面形状は、例えば、単気筒エンジンであれば、環状となる。また、直列四気筒エンジンであれば４つの環を直列に連ねたような形状を呈する。このような形状のウォータジャケットに対し、容器を複数とすることによりシリンダボア壁に対する離間、接近動作を容易とすることができる。また、容器の壁形状をシリンダボア壁の外周形状に対応した形状とすることにより、容器をシリンダボア壁に密着させ、高い伝熱効率を実現することができる。なお、ウォータジャケットの幅、すなわち、シリンダボア壁からシリンダブロックの外壁までの距離と比較して、容器の幅は狭い。このような寸法関係とすることにより、容器をシリンダボア壁に対して密着させたり、離間させたりすることができる。複数の容器は、例えば、前記シリンダボア壁の形状に対応した壁形状を有する第一容器及び第二容器とを有する構成とすることができる（請求項１８）。少なくともこのような２ピース構造とすれば、容器をシリンダボア壁に対して密着させたり、離間させたりすることができる。

このような蓄熱装置では、前記間隔調整手段は、前記容器に備えられている構成とすることができる（請求項３）。間隔調整手段が容器に備えられた構成とすれば、蓄熱装置のエンジンへの搭載、すなわち、シリンダブロックへの装着が容易となる。

ここで、このような容器は、それぞれ前記シリンダボア壁の外周形状に対応した壁形状を有する複数の容器を含む構成とすることができる。このような複数の容器は、連結部材で連結されている構成とすることができる（請求項５）。連結部材としては、例えば、スプリングを採用することができる。このような連結部材は間隔調整手段の構成要素とすることができる。

例えば、前記間隔調整手段は、前記容器を形成する複数の容器を連結するスプリングと、前記複数の容器の前記シリンダボア壁に対向する壁に設けられ、前記蓄熱剤の膨張に伴って外部へ迫り出す柔軟構造部とを有する構成とすることができる（請求項６、７）。このような構成の間隔調整手段では、連結部材に相当するスプリングの引き付け力が容器をシリンダボア壁に密着させる。また、柔軟構造部が外部へ迫り出し、いわば、スペーサの役割を果たすことにより、容器をシリンダボア壁から離間させる。ここで、柔軟構造部は、蓄熱剤の膨張によって外部へ迫り出すことができるようにその周辺部分と比較して柔軟性を有する材料で形成されている。蓄熱剤は、固相から液相に相変化することによって体積が増加する。例えば、酢酸ナトリウム３水和物であれば、固相から液相への相変化によって体積が約１０％増加する。このため、過冷却状態から潜熱を放出し、固相となった蓄熱剤が燃焼熱等を吸熱して液相に相変化するときに蓄熱剤の体積増加分が柔軟構造部を迫り出させる。これにより容器はシリンダボア壁から離間する。

間隔調整手段は、他の構成とすることもできる。例えば、前記間隔調整手段は、温度に応じて伸縮し、前記容器を形成する複数の容器を連結する伸縮装置とすることができる（請求項８、９）。このような伸縮装置は、例えば、温度に応じて伸縮する形状記憶合金からなり、前記容器を形成する複数の容器を連結する連結部材とすることができる（請求項１０、１１）。このような連結部材は、蓄熱剤が潜熱を放出している温度域では複数の容器をシリンダボア壁に密着させるように引き寄せる。また、蓄熱剤が吸熱作用をする温度域では複数の容器の間隔を広げるように動作し、容器をシリンダボア壁から離間させる。形状記憶合金は、従来公知の合金を用いることができる。他の伸縮装置としては、例えば、圧電アクチュエータを用いることもできる。

また、他の間隔調整手段は、前記容器を形成する複数の容器を連結するスプリングとサーモスタットとを有する構成とすることができる（請求項１２、１３）。スプリングは、複数の容器をシリンダボア壁に密着させるように引き寄せる作用をするものである。一方、サーモスタットは、温度が所定温度まで上昇するとニードルが迫り出して複数の容器の間隔を広げるように動作し、容器をシリンダボア壁から離間させる。

間隔調整手段は、さらに他の構成とすることもできる。例えば、前記間隔調整手段は、前記容器を形成する複数の容器同士を離間させるスプリングと、前記複数の容器を前記シリンダボア壁側へ押し込むアクチュエータとを有する構成とすることができる（請求項１４、１５）。このような構成におけるスプリングは初期状態で反発力を生じるようにセットされる。従って、容器は、初期状態ではシリンダボア壁から離間した状態となっている。また、アクチュエータは、ＥＣＵ等の制御手段により任意に容器をシリンダボア壁側へ押し込むものである。

蓄熱装置は、通常、容器内に封入された蓄熱剤の相変化を起こすための発核トリガーを必要とする。そこで、アクチュエータによって容器をシリンダボア側へ押し込む構成とする場合、このアクチュエータを、発核トリガーの押圧と、容器をシリンダボア側へ押し込むという二つの目的で用いる構成とすることができる。すなわち、前記容器は、その側壁に前記蓄熱剤の相変化を開始させる発核トリガーを備え、当該複数の容器は、スプリングで連結され、当該スプリングの反発力によって前記シリンダボア壁から離間するように前記ウォータジャケット内に収容されるとともに、アクチュエータによって前記発核トリガーが押圧されつつ、前記シリンダボア壁側へ押し込まれる構成とすることができる（請求項１６）。

このような蓄熱装置におけるアクチュエータは、例えば以下のように制御される。すなわち、前記アクチュエータは、冷却水温度が前記蓄熱剤の融解温度以下であるときに前記容器の押圧動作を行い、冷却水温度が暖機完了温度に到達するまで当該押圧動作を維持する制御がおこなわれる（請求項１８）。このような制御を行うことにより、蓄熱剤の潜熱放出時、アクチュエータは容器をシリンダボア壁へ密着させる。また、所定の暖機完了温度に到達した後、アクチュエータは押圧動作を停止し、容器をシリンダボア壁から離間させる。これにより、潜熱を放出した後の蓄熱剤が吸熱作用によりシリンダボア壁から熱を奪う現象を回避することができる。この結果、エンジンの早期暖機を実現することができる。また、エンジンの高負荷高回転時のように熱的に厳しい条件下にあるときは、アクチュエータの押圧動作を停止しておけば、エンジンの冷却効果を高めることができる。

以上説明したような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１９）。

本発明によれば、蓄熱剤が潜熱を放出しているときに蓄熱剤を封入した容器をシリンダボア壁へ密着させ、蓄熱剤が吸熱側に作用するときに前記容器をシリンダボア壁から離間するようにしたので、蓄熱剤の特性を十分に利用してエンジンの早期暖機完了、ひいてはフリクションの低減、燃費の向上を図ることができる。

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（ａ）は、本発明の蓄熱装置１の平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。図２（ａ）〜（ｃ）は、いずれも、シリンダブロック２に蓄熱装置１を組み込んだエンジン３の概略構成を示す図であり、シリンダヘッドを取り外した状態のシリンダブロック２をシリンダヘッド装着側から見た図である。（ａ）〜（ｃ）は、作動中の蓄熱装置１の異なる状態を示している。図３は、図２中、破線で囲んだ領域Ｂを拡大して示した図である。図４は、図２中、破線で囲んだ領域Ｃを拡大して示した図である。図５は、図３におけるＤ−Ｄ線断面図である。図６は、図４におけるＥ−Ｅ線断面図である。なお、本実施例におけるエンジン３は、４気筒エンジンである。

蓄熱装置１は、図に示すように第一容器４と第二容器５とを本発明の連結部材に相当するスプリング６で連結して構成されている。第一容器４は、金属製であり、シリンダボア壁７の形状に対応した壁形状の内側壁４ａを有している。このような内側壁４ａがシリンダボア壁７と対向する壁となる。このような内側壁４ａには、柔軟構造部８が設けられている。この柔軟構造部８は、弾性に富む樹脂で成形されている。従って、金属製の第一容器４は変形することはないが、柔軟構造部８は、変形が容易である。このため、容器の内容物、すなわち、本発明にあっては、後述する蓄熱剤９の体積増加分を柔軟構造部８が外側へ迫り出すことによって吸収する構成となっている。また、第一容器４の外側壁４ｂには、内部に封入され、過冷却状態にある蓄熱剤９の相変化のきっかけを与える発核トリガー１１が装着されている。この発核トリガー１１は、外力を受けることにより変形し、内部の蓄熱剤９の相変化を起こす。

第二容器５も、第一容器４と同様の構成となっている。すなわち、シリンダボア壁７の形状に対応した壁形状の内側壁５ａを有し、この内側壁５ａには柔軟構造部８が設けられている。さらに、外側壁５ｂには発核トリガー１１が装着されている。

このような第一容器４及び第二容器５には蓄熱剤９が封入されている（図５及び図６参照）。本実施例における蓄熱剤９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。また、酢酸ナトリウム３水和物は、固相から液相へ変化することにより約１０％の体積の増加がある。蓄熱剤９の封入量は、液相状態で柔軟構造部８を迫り出させる量であり、体積が減少する固相状態で柔軟構造部８を迫り出させることのない量に調整されている。

このような蓄熱剤９を封入された第一容器４及び第二容器５は、端部同士をそれぞれスプリング６で連結されてシリンダブロック２へ装着される。シリンダブロック２には、シリンダボア壁７を囲うようにウォータジャケット１０が形成されている。このウォータジャケット１０は、図２に示したように４つのシリンダを形成するシリンダボア壁７の周囲に配置されており、その形状は、４つの環を直列に連ねたような形状となっている。スプリング６によって連結された第一容器４と第二容器５も、同様に４つの環を直列に連ねたような形状となっている。このような第一容器４及び第二容器５は、スプリング６の引き付け力によってシリンダボア壁７に密着するようにウォータジャケット１０内に組み込まれる。すなわち、スプリング６は、初期状態において引き付け力を発揮することができる状態となっている。

なお、本実施例におけるスプリング６及び柔軟構造部８が、本発明における間隔調整手段を構成している。

シリンダブロック２には、アクチュエータ１２が装着されている。このアクチュエータ１２は、ＥＣＵ１３と接続されている。このアクチュエータ１２は、第一容器４及び第二容器５に装着した発核トリガー１１を押圧する。これにより発核トリガー１１が作動し、過冷却状態にある蓄熱剤９が相変化を開始し、潜熱の放出を始める。

以上のように構成される蓄熱装置１の動作につき、順を追って説明する。まず、冷間始動となる条件下で、エンジン３を始動させる図示しないイグニッションキーのＯＮ信号が発せられると、ＥＣＵ１３はこのＯＮ信号に基づいてアクチュエータ１２に対し、作動指令を出す。冷間始動時には、蓄熱剤９は、過冷却状態となっている。従って、蓄熱剤９は、液相となっており、図２（ａ）に示すように、柔軟構造部８は、シリンダボア壁７側へ迫り出している。このため、シリンダボア壁７と第一容器４及び第二容器５との間には隙間が形成されている。作動指令を受けたアクチュエータ１２に通電され、ニードル１２ａが迫り出すと、ニードル１２ａにより発核トリガー１１が押圧される。発核トリガー１１が押圧されると、第一容器４及び第二容器５内の蓄熱剤９が発核し、相変化を開始する。相変化を開始した蓄熱剤９は、蓄えていた潜熱を放出し始める。

蓄熱剤９は、潜熱の放出を伴う相変化により液相から固相へ変化した蓄熱剤９の体積は減少する。このため、柔軟構造部８の形状は、図２（ｂ）や図３、図５で示したように内側壁４ａ、５ａとほぼ面一となる状態まで変化する。このように内側壁４ａ、５ａがそれぞれほぼ面一となった第一容器４及び第二容器５はスプリング６により引き寄せられてシリンダボア壁７に密着した状態となる。このような状態は、ウォータジャケット１０内を流通する冷却水の温度が蓄熱剤９の融解温度であるおよそ５８℃まで継続される。これにより、蓄熱剤９から放出された熱は、第一容器４及び第二容器５が密着しているシリンダボア壁７へ効率よく伝達される。この結果、エンジン３の早期暖機が図られる。

エンジン３が始動すると、エンジン３の燃焼熱等が発生し始める。このようなエンジン３が自ら発生する熱も暖機に貢献する。このような熱は循環するエンジンオイル等を介してシリンダボア壁７へも伝達される。また、ウォータジャケット１０内を流通する冷却水の温度も上昇する。

このようなエンジン３の暖機の進行に伴って冷却水の温度が上昇し、エンジン３の冷却水の温度が蓄熱剤９の融解温度に到達すると、蓄熱剤９が融解し、固相から液相への相変化を開始する。このような段階の蓄熱剤９は、周囲の熱を吸収する状態となっている。早期暖機に基づく燃費の向上には、図示しないピストンが摺動するシリンダボア壁７の温度を早期に昇温してピストンのフリクションを低減することが有効である。このため、仮に、第一容器４及び第二容器５がシリンダボア壁に７に密着したままであると、蓄熱剤９がシリンダボア壁７から熱を奪ってしまい、暖機効果を損ねることになりかねない。

ところが、本実施例の蓄熱装置１は、以下に説明する動作により、蓄熱剤９がシリンダボア壁７から熱を奪うことを回避している。

蓄熱剤９は、周囲の冷却水等から吸熱し、固相から液相への相変化を起こすことにより体積が増加する。このため、融解して液相となった蓄熱剤９は、再び柔軟構造部８を外部へ迫り出させる。これにより、第一容器４及び第二容器５は、図２（ｃ）や図４、図６に示すように、再び、シリンダボア壁７から離間する。この結果、燃焼熱等のエンジン３が自ら発する熱が蓄熱剤９の吸熱作用により奪われることを回避することができる。

また、第一容器４及び第二容器５が、図２（ｃ）や図４、図６に示すように、シリンダボア壁７から離間することにより、両者間に冷却水が流通するようになる。このため、暖機を完了し、熱的に厳しい条件下で運転されるエンジン３の冷却にも対応することができる。すなわち、シリンダボア壁７は、冷間始動時は早期に昇温することが求められるが、暖機完了後は、適切な冷却がされることが求められる。本実施例の蓄熱装置１であれば、このような要求を満たすことができる。

このように、暖機完了後のエンジン３から熱を奪った蓄熱剤９は、エンジン３が停止し、冷却されると、液相のまま温度が低下する。すなわち、エンジン３から奪った熱を蓄え、過冷却状態となって次回のエンジン始動に備えることとなる。

次に、本発明の実施例２について、図７乃至図１０を参照しつつ説明する。図７は、実施例２の蓄熱装置２１の平面図である。図８（ａ）、（ｂ）は、いずれも、シリンダブロック２に蓄熱装置２１を組み込んだエンジン３の概略構成を示す図であり、シリンダヘッドを取り外した状態のシリンダブロック２をシリンダヘッド装着側から見た図である。（ａ）、（ｂ）は、作動中の蓄熱装置２１の異なる状態を示している。図９は、図８中、破線で囲んだ領域Ｆを拡大して示した図である。図１０は、図８中、破線で囲んだ領域Ｇを拡大して示した図である。なお、本実施例におけるエンジン３は、４気筒エンジンであり、シリンダブロック２を含め、実施例１におけるエンジン３と同様のものである。

蓄熱装置２１は、図に示すように第一容器２２と第二容器２３とを本発明の伸縮装置に相当する形状記憶合金からなる連結部材２４で連結して構成されている。第一容器２２は、金属製であり、シリンダボア壁７の形状に対応した壁形状の内側壁２２ａを有している。このような内側壁２２ａがシリンダボア壁７と対向する壁となる。また、第一容器２２の外側壁２２ｂには、内部に封入され、過冷却状態にある蓄熱剤９の相変化のきっかけを与える発核トリガー１１が装着されている。この発核トリガー１１は、外力を受けることにより変形し、内部の蓄熱剤９の相変化を起こす。以上の点は、実施例１の第一容器４と同様である。ただし、実施例１の第一容器４とは異なり、柔軟構造部８は設けられていない。

第二容器２３も、第一容器４と同様の構成となっている。すなわち、シリンダボア壁７の形状に対応した壁形状の内側壁２３ａを有している。また、外側壁２３ｂには発核トリガー１１が装着されている。

このような第一容器２２及び第二容器２３には蓄熱剤９が封入されている。本実施例における蓄熱剤９は、酢酸ナトリウム３水和物である。この点、実施例１の第一容器４及び第二容器５と同様である。

第一容器２２及び第二容器２３は、端部同士をそれぞれ連結部材２４で連結されてシリンダブロック２へ装着される。連結部材２４は、形状記憶合金からなり、板状に形成されている。形状記憶合金の特性は、温度の上昇とともにその長さが長くなるものである。このため、連結部材２４の長さは、冷間始動時の温度状態を初期状態として長さが設定されている。この初期状態の連結部材２４の長さは、第一容器２２及び第二容器２３をウォータジャケット１０へ組み込んだ際に、図８（ａ）や図９に示したように第一容器２２及び第二容器２３がシリンダボア壁７へ密着する長さとされている。このような連結部材２４は、蓄熱剤９の融解温度まではほぼ初期状態の長さを維持する。これにより、第一容器２２及び第二容器２３のシリンダボア壁７へ密着状態を維持することができる。また、連結部材２４は、蓄熱剤９の融解温度を越える環境下におかれると徐々に長さが伸び、第一容器２２及び第二容器２３をシリンダボア壁７から離間させる。

なお、シリンダブロック２に装着されたアクチュエータ１２、このアクチュエータ１２と接続されたＥＣＵ１３は実施例１の場合と同様である。

以上のように構成される蓄熱装置２１の動作につき、順を追って説明する。まず、冷間始動となる条件下で、エンジン３を始動させる図示しないイグニッションキーのＯＮ信号が発せられると、ＥＣＵ１３はこのＯＮ信号に基づいてアクチュエータ１２に対し、作動指令を出す。冷間始動時には、蓄熱剤９は、過冷却状態となっている。また、連結部材２４は、初期状態の長さを保っており、図８（ａ）及び図９に示したように第一容器２２及び第二容器２３はシリンダボア壁７へ密着している。作動指令を受けたアクチュエータ１２に通電され、ニードル１２ａが迫り出すと、ニードル１２ａにより発核トリガー１１が押圧される。発核トリガー１１が押圧されると、第一容器２２及び第二容器２３内の蓄熱剤９が発核し、相変化を開始する。相変化を開始した蓄熱剤９は、蓄えていた潜熱を放出し始める。

このような状態は、ウォータジャケット１０内を流通する冷却水の温度が蓄熱剤９の融解温度であるおよそ５８℃まで継続される。これにより、蓄熱剤９から放出された熱は、第一容器２２及び第二容器２３が密着しているシリンダボア壁７へ効率よく伝達される。この結果、エンジン３の早期暖機が図られる。

エンジン３が始動すると、エンジン３の燃焼熱等が発生し始める。このようなエンジン３が自ら発生する熱も暖機に貢献する。このような熱は循環するエンジンオイル等を介してシリンダボア壁７へも伝達される。また、ウォータジャケット１０内を流通する冷却水の温度も上昇する。

このようなエンジン３の暖機の進行に伴って冷却水の温度が上昇し、エンジン３の冷却水の温度が蓄熱剤９の融解温度に到達すると、蓄熱剤９が融解し、固相から液相への相変化を開始する。このような段階の蓄熱剤９は、周囲の熱を吸収する状態となっている。実施例１の説明において述べたように、早期暖機に基づく燃費の向上には、図示しないピストンが摺動するシリンダボア壁７の温度を早期に昇温してピストンのフリクションを低減することが有効である。このため、仮に、第一容器２２及び第二容器２３がシリンダボア壁に７に密着したままであると、蓄熱剤９がシリンダボア壁７から熱を奪ってしまい、暖機効果を損ねることになりかねない。

ところが、本実施例の蓄熱装置２１は、以下に説明する動作により、蓄熱剤９がシリンダボア壁７から熱を奪うことを回避している。

蓄熱剤９が放出した熱や、エンジン３の燃焼熱等により、冷却水の温度が上昇すると、連結部材２４の長さが長くなる。これにより、第一容器２２及び第二容器２３は、図８（ａ）や図９に示したようにシリンダボア壁に７に密着した状態から、図８（ｂ）や図１０に示したようにシリンダボア壁７から離間した状態となる。この結果、燃焼熱等のエンジン３が自ら発する熱が蓄熱剤９の吸熱作用により奪われることを回避することができる。

また、第一容器２２及び第二容器２３が、図８（ｂ）や図１０に示すように、シリンダボア壁７から離間することにより、両者間に冷却水が流通するようになる。このため、暖機を完了し、熱的に厳しい条件下で運転されるエンジン３の冷却にも対応することができる。すなわち、シリンダボア壁７は、冷間始動時は早期に昇温することが求められるが、暖機完了後は、適切な冷却がされることが求められるが、本実施例の蓄熱装置２１であれば、実施例１の場合と同様にこのような要求を満たすことができる。

このように、暖機完了後のエンジン３から熱を奪った蓄熱剤９は、エンジン３が停止し、冷却されると、液相のまま温度が低下する。すなわち、エンジン３から奪った熱を蓄え、過冷却状態となって次回のエンジン始動に備えることとなる。この点も実施例１の場合と同様である。

次に、本発明の実施例３について、図１１乃至図１４を参照しつつ説明する。図１１は、実施例３の蓄熱装置３１の平面図である。図１２（ａ）、（ｂ）は、いずれも、シリンダブロック２に蓄熱装置３１を組み込んだエンジン３の概略構成を示す図であり、シリンダヘッドを取り外した状態のシリンダブロック２をシリンダヘッド装着側から見た図である。（ａ）、（ｂ）は、作動中の蓄熱装置３１の異なる状態を示している。図１３は、図１２中、破線で囲んだ領域Ｈを拡大して示した図である。図１４は、図１２中、破線で囲んだ領域Ｉを拡大して示した図である。なお、本実施例におけるエンジン３は、４気筒エンジンであり、シリンダブロック２を含め、実施例１、２におけるエンジン３と同様のものである。

蓄熱装置３１は、図に示すように第一容器２２と第二容器２３とを本発明の間隔調整手段に相当するスプリング３２とサーモスタット３３で連結して構成されている。ここで、第一容器２２と第二容器２３は、実施例２で用いたものと同一のものを用いている。内部に蓄熱剤９が封入されている点も同様である。この為、同一の構成要素については同一の参照番号を付してその詳細な説明は省略する。

スプリング３２は、実施例１におけるスプリング６と同様に、初期状態において引き付け力を発揮することができる状態となっている。この引き付け力によって第一容器２２と第二容器２３は、シリンダボア壁７に密着する状態でウォータジャケット１０内に組み込まれている。サーモスタット３３は、感温部３３ａと、ピストン３３ｂを備えている。感温部３３ａの内部にはワックスが封入されており、このワックスが熱により膨張することによりピストン３３ｂが押し出されてサーモスタット３３の全長が変化するようになっている。このようなサーモスタット３３は、冷間始動時に短尺状態となっており、冷却水の温度が蓄熱剤９の融解温度を越えるようになるとピストン３３ｂが押し出され長尺状態となる。サーモスタット３３は長尺状態となることにより、第一容器２２及び第二容器２３をシリンダボア壁７から離間させる。

なお、シリンダブロック２に装着されたアクチュエータ１２、このアクチュエータ１２と接続されたＥＣＵ１３は実施例１、２の場合と同様である。

以上のように構成される蓄熱装置３１の動作につき、順を追って説明する。まず、冷間始動となる条件下で、エンジン３を始動させる図示しないイグニッションキーのＯＮ信号が発せられると、ＥＣＵ１３はこのＯＮ信号に基づいてアクチュエータ１２に対し、作動指令を出す。冷間始動時には、蓄熱剤９は、過冷却状態となっている。また、サーモスタット３３は、短尺状態を保っており、図１２（ａ）及び図１３に示したようにスプリング３２によって引き付けられた第一容器２２及び第二容器２３はシリンダボア壁７へ密着している。作動指令を受けたアクチュエータ１２に通電され、ニードル１２ａが迫り出すと、ニードル１２ａにより発核トリガー１１が押圧される。発核トリガー１１が押圧されると、第一容器２２及び第二容器２３内の蓄熱剤９が発核し、相変化を開始する。相変化を開始した蓄熱剤９は、蓄えていた潜熱を放出し始める。

このような状態は、ウォータジャケット１０内を流通する冷却水の温度が蓄熱剤９の融解温度であるおよそ５８℃まで継続される。これにより、蓄熱剤９から放出された熱は、第一容器２２及び第二容器２３が密着しているシリンダボア壁７へ効率よく伝達される。この結果、エンジン３の早期暖機が図られる。

エンジン３が始動すると、エンジン３の燃焼熱等が発生し始める。このようなエンジン３が自ら発生する熱も暖機に貢献する。このような熱は循環するエンジンオイル等を介してシリンダボア壁７へも伝達される。また、ウォータジャケット１０内を流通する冷却水の温度も上昇する。

このようなエンジン３の暖機の進行に伴って冷却水の温度が上昇し、エンジン３の冷却水の温度が蓄熱剤９の融解温度に到達すると、蓄熱剤９が融解し、固相から液相への相変化を開始する。このような段階の蓄熱剤９は、周囲の熱を吸収する状態となっている。実施例１の説明において述べたように、早期暖機に基づく燃費の向上には、図示しないピストンが摺動するシリンダボア壁７の温度を早期に昇温してピストンのフリクションを低減することが有効である。このため、仮に、第一容器２２及び第二容器２３がシリンダボア壁に７に密着したままであると、蓄熱剤９がシリンダボア壁７から熱を奪ってしまい、暖機効果を損ねることになりかねない。

ところが、本実施例の蓄熱装置３１は、以下に説明する動作により、蓄熱剤９がシリンダボア壁７から熱を奪うことを回避している。

蓄熱剤９が放出した熱や、エンジン３の燃焼熱等により、冷却水の温度が上昇すると、サーモスタット３３のピストン３３ｂが押し出され、サーモスタット３３が長尺状態となる。これにより、第一容器２２及び第二容器２３は、図１２（ａ）や図１３に示したようにシリンダボア壁に７に密着した状態から、図１２（ｂ）や図１４に示したようにシリンダボア壁７から離間した状態となる。この結果、燃焼熱等のエンジン３が自ら発する熱が蓄熱剤９の吸熱作用により奪われることを回避することができる。

また、第一容器２２及び第二容器２３が、図１２（ｂ）や図１４に示すように、シリンダボア壁７から離間することにより、両者間に冷却水が流通するようになる。このため、暖機を完了し、熱的に厳しい条件下で運転されるエンジン３の冷却にも対応することができる。すなわち、シリンダボア壁７は、冷間始動時は早期に昇温することが求められるが、暖機完了後は、適切な冷却がされることが求められるが、本実施例の蓄熱装置３１であれば、実施例１、２の場合と同様にこのような要求を満たすことができる。

このように、暖機完了後のエンジン３から熱を奪った蓄熱剤９は、エンジン３が停止し、冷却されると、液相のまま温度が低下する。すなわち、エンジン３から奪った熱を蓄え、過冷却状態となって次回のエンジン始動に備えることとなる。この点も実施例１、２の場合と同様である。

次に、本発明の実施例４について、図１５乃至図１８を参照しつつ説明する。図１５（ａ）〜（ｃ）は、いずれも、シリンダブロック２に実施例４の蓄熱装置４１を組み込んだエンジン３の概略構成を示す図であり、シリンダヘッドを取り外した状態のシリンダブロック２をシリンダヘッド装着側から見た図である。（ａ）〜（ｃ）は、作動中の蓄熱装置４１の異なる状態を示している。図１６は、図１５におけるＪ−Ｊ線拡大断面図である。図１７は、図１５におけるＫ−Ｋ線拡大断面図である。また、図１８は、蓄熱装置４１の制御の一例を示すフロー図である。なお、本実施例におけるエンジン３は、４気筒エンジンであり、シリンダブロック２を含め、他の実施例におけるエンジン３と同様のものである。ただし、図１５では、他の実施例の説明図では省略していた水温計４２を描いている。

蓄熱装置４１は、他の実施例とは異なり、シリンダブロック２に装着されたアクチュエータ４３と、スプリング４４によって接続された第一容器４５及び第二容器４６を組み合わせて構成されている。ただし、第一容器４５及び第二容器４６自体は、実施例２及び３における第一容器２２及び第二容器２３と同一のものである。

本実施例のスプリング４４は、実施例１のスプリング６や実施例３のスプリング３２とは異なり、初期状態において第一容器４５と第二容器４６とを離間させる反発力が発揮されるように設定されている。このため、スプリング４４によって連結された第一容器４５と第二容器４６は、初期状態において図１５（ａ）に示したようにシリンダボア壁７から離間した状態で組み込まれる。

また、アクチュエータ４３は、シリンダボア壁７から離間した状態にある第一容器４５、第二容器４６をシリンダボア壁７側へ押し込む役割を有する。この点、他の実施例におけるアクチュエータ１２とは異なる。ただし、本実施例におけるアクチュエータ４３は、他の実施例におけるアクチュエータ１２と同様に、第一容器４５と第二容器４６に設けた発核トリガー１１を押圧する役割も有している。このようなアクチュエータ４３は、ＥＣＵ４７に接続されている。また、ＥＣＵ４７は、水温計４２と接続されており、この水温計４２からの水温データに基づいてアクチュエータ４３に対する作動指令を発する。

以上のように構成される蓄熱装置３１の動作につき、図１８に示したフロー図を参照しつつ説明する。

まず、ＥＣＵ４７は、エンジン３を始動させる図示しないイグニッションキーがＯＮ状態となった否かを判断する（ステップＳ０１）。ここで、イグニッションのＯＮ状態を判断するのは、エンジン３が始動されるか否かを監視する趣旨である。このため、例えば、イグニッションのＯＮ状態の判断に代えて運転席側のドアが開かれたか否かを判断の対象とすることもできる。

ステップＳ０１でＹｅｓと判断されたときは、ステップＳ０２へ進む。一方、ステップＳ０１でＮｏと判断されたときは、ステップＳ０１の処理を繰り返す。

ステップＳ０２では、ＥＣＵ４７は、水温計４２からのデータに基づいて、冷却水の温度が５８℃以下であるか否かの判断を行う。ここで、５８℃は、蓄熱剤９の融解温度である。冷却水の温度が蓄熱剤の融解温度に達していないときは、冷間始動条件下にあるとして蓄熱剤９の潜熱を利用してエンジン３の早期暖機を図ろうとする趣旨である。

ステップＳ０２でＮｏと判断された場合、すなわち、冷却水の温度が５８℃よりも高く、冷間始動条件にないと判断されたときはステップＳ０６を経てアクチュエータ４３の通電ＯＦＦを維持したまま、処理を終了する（エンド）。

一方、ステップＳ０２でＹｅｓと判断された場合、すなわち、冷却水の温度が５８℃以下であるときは、ステップＳ０３へ進み、ＥＣＵ４７はアクチュエータ４３に通電をＯＮ状態とする指令を発する。なお、アクチュエータ４３に通電される以前の第一容器４５と第二容器４６は、図１８（ａ）に示すようにシリンダボア壁７から離間した状態となっている。

通電をＯＮ状態とされたアクチュエータ４３は、ニードル４３ａが押し出され、このニードル４３ａによって第一容器４５と第二容器４６は、シリンダボア壁７側へ押し込まれる。このとき、ニードル４３ａは、発核トリガー１１を押圧する。これにより、第一容器４５と第二容器４６は、図１５（ｂ）と図１６に示したようにシリンダボア壁７へ密着する。また、内部に封入された過冷却状態の蓄熱剤９が相変化を開始し、潜熱の放出を開始する。

ステップＳ０３でアクチュエータ４３に通電の指令を発したＥＣＵ４７は、ステップＳ０４でエンジン３が運転状態となったか否かを判断する。すなわち、エンジン３が始動したか否かの判断を行う。ステップＳ０４でＮｏと判断された場合、すなわち、エンジン３が始動していないときは、ＥＣＵ４７は、ステップＳ０６を経て、処理を終了する（エンド）。

一方、ステップＳ０４でＹｅｓと判断された場合、すなわち、エンジン３が始動しているときは、ＥＣＵ４７は、ステップＳ０５へ進む。ステップＳ０５では、水温計４２からのデータに基づいて、冷却水の温度が８０℃以上となっているか否かの判断を行う。ここで、８０℃は、暖機が完了したか否かの判断の目安として設定した数値である。ステップＳ０５でＮｏと判断された場合、すなわち、未だ暖機が完了していないと判断された場合は、ＥＣＵ４７は、ステップＳ０３へ戻ってステップＳ０３〜ステップＳ０４の処理を繰り返す。すなわち、暖機が完了すると判断されるまでは、アクチュエータ４３の通電を継続し、第一容器４５と第二容器４６とをシリンダボア壁７へ密着させておく趣旨である。このような制御を行うことにより、蓄熱剤９の潜熱を効率よくシリンダボア壁７へ伝達し、早期の暖機完了が実現される。

一方、ステップＳ０５でＹｅｓと判断された場合、すなわち、暖機が完了したと判断された場合は、ＥＣＵ４７は、ステップＳ０６へ進んでアクチュエータ４３に対し、通電ＯＦＦの指令を発する。この指令により、アクチュエータ４３のニードル４３ａは引き込まれるので、第一容器４５と第二容器４６はスプリング４４の反発力によって、図１５（ｃ）や図１７に示すように、シリンダボア壁７から離間する。冷却水の温度が８０℃を越えるような環境下では、蓄熱剤９は、周囲の熱を吸収する状態となっているが、第一容器４５と第二容器４６をシリンダボア壁７から離間することにより、シリンダボア壁７の熱が吸収されることがない。また、第一容器４５及び第二容器４６とシリンダボア壁７との間に冷却水が流通するようになるので、高負荷高回転時のように熱的に運転条件となっても、シリンダボア壁７の冷却を図ることができる。

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。

（ａ）は、実施例１の蓄熱装置の平面図である。（ｂ）は、（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、いずれも、シリンダブロックに蓄熱装置を組み込んだエンジンの概略構成を示す図であり、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る。 図２中、破線で囲んだ領域Ｂを拡大して示した図である。 図２中、破線で囲んだ領域Ｃを拡大して示した図である。 図３におけるＤ−Ｄ線断面図である。 図４におけるＥ−Ｅ線断面図である。 実施例２の蓄熱装置の平面図である。 （ａ）、（ｂ）は、いずれも、シリンダブロックに蓄熱装置を組み込んだエンジンの概略構成を示す図であり、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る。 図８中、破線で囲んだ領域Ｆを拡大して示した図である。 図８中、破線で囲んだ領域Ｇを拡大して示した図である。 実施例３の蓄熱装置の平面図である。 （ａ）、（ｂ）は、いずれも、シリンダブロックに蓄熱装置を組み込んだエンジンの概略構成を示す図であり、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る。 図１２中、破線で囲んだ領域Ｈを拡大して示した図である。 図１２中、破線で囲んだ領域Ｉを拡大して示した図である。 （ａ）〜（ｃ）は、いずれも、シリンダブロックに実施例４の蓄熱装置を組み込んだエンジンの概略構成を示す図であり、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る。 図１５におけるＪ−Ｊ線拡大断面図である。 図１５におけるＫ−Ｋ線拡大断面図である。 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、２１、３１、４１ 蓄熱装置
２ シリンダブロック
３ エンジン
２ａ シリンダブロック
４、２２、４５ 第一容器
５、２３、４６ 第二容器
６、３２、４４ スプリング
７ シリンダボア壁
８ 柔軟構造部
９ 蓄熱剤
１０ ウォータジャケット
１１ 発核トリガー
１２、４３ アクチュエータ
１３、４７ ＥＣＵ
２４ 連結部材
３３ サーモスタット

Claims (19)

1. シリンダボア壁を囲うように設けられたウォータジャケット内に収容される容器と、
   当該容器内に封入された蓄熱剤と、
   エンジンの運転状況に応じて当該容器と前記シリンダボア壁との間隔を調節する間隔調整手段を備えていることを特徴とする蓄熱装置。
2. シリンダボア壁を囲うように設けられたウォータジャケット内に収容される容器と、
   当該容器内に封入された蓄熱剤と、
   前記蓄熱剤又は冷却水の温度に応じて当該容器と前記シリンダボア壁との間隔を調節する間隔調整手段を備えていることを特徴とする蓄熱装置。
3. 請求項１又は２記載の蓄熱装置において、
   前記間隔調整手段は、前記容器に備えられていることを特徴とする蓄熱装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項記載の蓄熱装置において、
   前記容器は、それぞれ前記シリンダボア壁の外周形状に対応した壁形状を有する複数の容器を含むことを特徴とする蓄熱装置。
5. 請求項１又は２記載の蓄熱装置において、
   前記容器は、それぞれ前記シリンダボア壁の外周形状に対応した壁形状を有する複数の容器を含むとともに、当該複数の容器は連結部材で連結されていることを特徴とする蓄熱装置。
6. 請求項１乃至４のいずれか一項記載の記載の蓄熱装置において、
   前記間隔調整手段は、前記容器を形成する複数の容器を連結するスプリングと、
   前記複数の容器の前記シリンダボア壁に対向する壁に設けられ、前記蓄熱剤の膨張に伴って外部へ迫り出す柔軟構造部とを有することを特徴とした蓄熱装置。
7. 請求項１又は２記載の蓄熱装置において、
   前記容器は、それぞれ前記シリンダボア壁の外周形状に対応した壁形状を有する複数の容器を有し、
   当該複数の容器は、スプリングで連結されるとともに、前記シリンダボア壁に対向する壁に前記蓄熱剤の膨張に伴って外部へ迫り出す柔軟構造部が設けられ、前記スプリングの引き付け力によって前記シリンダボア壁に密着するように前記ウォータジャケット内に収容されることを特徴とする蓄熱装置。
8. 請求項１又は２記載の記載の蓄熱装置において、
   前記間隔調整手段は、温度に応じて伸縮し、前記容器を形成する複数の容器を連結する伸縮装置であることを特徴とした蓄熱装置。
9. 請求項１又は２記載の蓄熱装置において、
   前記容器は、それぞれ前記シリンダボア壁の外周形状に対応した壁形状を有する複数の容器を有し、
   当該複数の容器は、温度に応じて伸縮する伸縮装置で連結され、前記シリンダボア壁に密着するように前記ウォータジャケット内に収容されることを特徴とする蓄熱装置。
10. 請求項１又は２記載の記載の蓄熱装置において、
    前記間隔調整手段は、温度に応じて伸縮する形状記憶合金からなり、前記容器を形成する複数の容器を連結する連結部材であることを特徴とした蓄熱装置。
11. 請求項１又は２記載の蓄熱装置において、
    前記容器は、それぞれ前記シリンダボア壁の外周形状に対応した壁形状を有する複数の容器を有し、
    当該複数の容器は、温度に応じて伸縮する形状記憶合金からなる連結部材で連結され、前記シリンダボア壁に密着するように前記ウォータジャケット内に収容されることを特徴とする蓄熱装置。
12. 請求項１又は２記載の記載の蓄熱装置において、
    前記間隔調整手段は、前記容器を形成する複数の容器を連結するスプリングとサーモスタットとを有することを特徴とする蓄熱装置。
13. 請求項１記載の蓄熱装置において、
    前記容器は、それぞれ前記シリンダボア壁の外周形状に対応した壁形状を有する複数の容器を有し、
    当該複数の容器は、サーモスタット及びスプリングで連結され、当該スプリングの引き付け力によって前記シリンダボア壁に密着するように前記ウォータジャケット内に収容されることを特徴とする蓄熱装置。
14. 請求項１又は２記載の蓄熱装置において、
    前記間隔調整手段は、前記容器を形成する複数の容器同士を離間させるスプリングと、前記複数の容器を前記シリンダボア壁側へ押し込むアクチュエータとを有することを特徴とした蓄熱装置。
15. 請求項１又は２記載の蓄熱装置において、
    前記容器は、それぞれ前記シリンダボア壁の外周形状に対応した壁形状を有する複数の容器を有し、
    当該複数の容器は、スプリングで連結され、当該スプリングの反発力によって前記シリンダボア壁から離間するように前記ウォータジャケット内に収容されるとともに、アクチュエータによって前記シリンダボア壁側へ押し込まれることを特徴とする蓄熱装置。
16. 請求項１又は２記載の蓄熱装置において、
    前記容器は、その側壁に前記蓄熱剤の相変化を開始させる発核トリガーを備え、
    当該複数の容器は、スプリングで連結され、当該スプリングの反発力によって前記シリンダボア壁から離間するように前記ウォータジャケット内に収容されるとともに、アクチュエータによって前記発核トリガーが押圧されつつ、前記シリンダボア壁側へ押し込まれることを特徴とする蓄熱装置。
17. 請求項１５又は１６記載の蓄熱装置において、
    前記アクチュエータは、冷却水温度が前記蓄熱剤の融解温度以下であるときに前記容器の押圧動作を行い、冷却水温度が暖機完了温度に到達するまで当該押圧動作を維持することを特徴とした蓄熱装置。
18. 請求項１乃至１７記載の蓄熱装置において、
    前記容器は、前記シリンダボア壁の形状に対応した壁形状を有する第一容器及び第二容器とを有することを特徴とした蓄熱装置。
19. 請求項１乃至１８のいずれか一項記載の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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