JP4356265B2 - 蓄熱装置を備えた内燃機関 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蓄熱装置を備えた内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、内燃機関は、燃焼室周辺の温度が所定温度に達していない状態、いわゆる冷間状態で運転されると、燃焼室に供給される燃料が霧化し難くなるとともに、燃焼室の壁面近傍における消炎が発生するため、始動性の低下や排気エミッションの悪化が誘発される。
【０００３】
そこで、内燃機関が運転中に発する熱を蓄えておき、その蓄えた熱を機関停止中、または、機関始動時に内燃機関に供給して内燃機関の温度を上昇させる蓄熱装置を備えた内燃機関が知られている。しかし、内燃機関を始動した直後からエミッション性能の改善及び燃費性能の向上を実現するためには、内燃機関始動前から当該内燃機関に熱を供給して、内燃機関始動時に該内燃機関が所定温度以上に達していることが必要である。
【０００４】
ところが、内燃機関を始動するタイミングは、状況により異なるため、蓄熱装置から内燃機関に熱が供給された後、内燃機関が始動するまでの時間が長くなると、内燃機関に供給された熱は大気中へ放出され、内燃機関の温度は徐々に低下してしまう。また、少量ではあるが蓄熱装置から外部へ熱が放出するため、長期間内燃機関の運転がなされないと蓄熱装置に蓄えられている熱が減少し、内燃機関を所定温度まで上昇させることが困難になる虞がある。
【０００５】
このような問題に対して例えば特許第２５７６４８８号公報では、断熱タンクの外に電気ヒータ等の加熱器を設けて断熱タンク内の冷水を加熱可能にするとともに、断熱タンクから温水を取り出す温水流通管や断熱タンクへ冷却水を供給する冷却水通路を断熱タンクの底部の一個所に集中させて断熱タンクからの熱漏れを極力少なくできる温水供給装置が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来の温水供給装置は、電気ヒータ等による加熱を行うべく少なからず該電気ヒータ等への電力供給が必要となる。車両への蓄熱装置の搭載を考慮すると、電気ヒータ等への電力供給は車両に搭載されたバッテリーから行うのが好適である。このバッテリーは、内燃機関運転時に該内燃機関から発生するエネルギーを蓄えておき、必要なときに電気エネルギーとして取り出すことができる。そして、内燃機関停止時においても電気ヒータ等に電力を供給することができる。
【０００７】
しかし、バッテリーに蓄えることができる電気量には限りがあるため、長期間電気ヒータ等による加熱が行われると、バッテリーに蓄えられたエネルギーが過剰に消費されてしまい、内燃機関の始動時にスタータモータや点火栓等に電力を供給することができなくなり、内燃機関の始動性等に影響が及ぶ虞がある。
【０００８】
本発明は、以上の問題を解決するために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、バッテリー等の蓄電手段に蓄えられたエネルギーの過剰な消費を防止しつつ好適な蓄熱を行える技術を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために本発明の蓄熱装置を備えた内燃機関は、以下の手段を採用した。即ち、
熱媒体が持つ熱を蓄える蓄熱手段と、
前記蓄熱手段に蓄えられた熱媒体を内燃機関へ供給する熱供給手段と、
前記内燃機関の運転時に発生するエネルギーを蓄える蓄電手段と、
前記蓄電手段からエネルギーを供給されて前記蓄熱手段に蓄えられた熱媒体を加熱する加熱手段と、
前記内燃機関の運転時間に基づいて前記加熱手段が消費可能なエネルギー量を算出する消費制限算出手段と、
を備え、
前記加熱手段は、前記消費制限算出手段が算出した消費可能なエネルギー量の範囲内で熱媒体の加熱を行うことを特徴とする。
【００１０】
本発明の最大の特徴は、蓄熱手段に蓄えられたエネルギーを使用して蓄熱装置の熱媒体を加熱する加熱手段を具備した内燃機関において、内燃機関の始動時等に必要となる最小限のエネルギーを蓄電手段に確保しつつ、蓄熱装置の熱媒体を最大限に加熱する点にある。
【００１１】
このように構成された蓄熱装置を備えた内燃機関では、内燃機関の運転中に発生した熱は、内燃機関の運転停止後においても蓄熱手段で保存される。この蓄熱手段により蓄えられた熱は、内燃機関が冷間始動される場合等に熱媒体を介して内燃機関に供給される。このような熱の供給が行われると、内燃機関が冷間始動される場合であっても該内燃機関が早期に暖機されることになる。
【００１２】
その際、蓄熱手段に蓄えられた熱量が少なくなると、蓄熱手段から内燃機関へ十分な量の熱を供給することができなくなるため、加熱手段は、蓄熱手段に蓄えられた熱媒体を適宜加熱し、蓄熱手段の蓄熱量を増加させる。
【００１３】
ところで、加熱手段は、蓄熱手段に蓄えられたエネルギーを利用して熱媒体の加熱を行うことになるため、加熱手段が無闇に加熱媒体の加熱を行うと、蓄電手段のエネルギーが過剰に消費されてしまう。
【００１４】
そこで、本発明に係る蓄熱装置を備えた内燃機関は、加熱手段が消費可能なエネルギー量を算出する消費制限算出手段を備え、加熱手段が消費するエネルギー量を制限するようにした。
【００１５】
この場合、加熱手段は、消費制限算出手段によって算出されたエネルギー量の範囲内で熱媒体の加熱を行うことになるため、蓄電手段に蓄えられたエネルギーが過剰に消費されることがなくなる。
【００１６】
その結果、蓄電手段に蓄えておくべき必要最小限のエネルギー量を確保可能な範囲内で蓄熱手段の蓄熱量が最大限に増加されることになる。
【００１７】
ここで、蓄電手段に蓄えられるエネルギー量は内燃機関の運転時間と相関があるため、消費制限算出手段は、加熱手段が消費可能なエネルギー量を算出するにあたり、内燃機関の運転時間をパラメータとして用いてもよく、より具体的には、前回の内燃機関の始動前に蓄電手段に蓄えられていたエネルギー量と前回の内燃機関の運転時間とをパラメータとして、加熱手段が消費可能なエネルギー量を算出するようにしても良い。
【００１８】
本発明においては、前記蓄熱手段に蓄えられた熱媒体の温度を計測する熱媒体温度計測手段を備え、前記加熱手段は、内燃機関停止中に前記熱媒体温度計測手段の計測値が所定温度以下になる度に所定時間熱媒体の加熱を行い、内燃機関停止中の消費エネルギーの合計が前記消費制限算出手段の算出結果よりも大きくなると加熱を停止するようにしても良い。このようにすると、消費可能なエネルギー量の範囲内で熱媒体を所定温度以上に保つことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の蓄熱装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。ここでは、本発明に係る内燃機関の蓄熱装置を車両駆動用のガソリン機関に適用した場合を例に挙げて説明する。
【００２０】
図１は、本発明に係る内燃機関の蓄熱装置を適用するエンジン１とその冷却水が循環する冷却水通路（循環通路）Ａ、Ｂ、Ｃとを併せ示す概略構成図である。循環通路に示された矢印は、エンジン１が運転されているときの冷却水の流通方向である。
【００２１】
図１に示すエンジン１は、水冷式の４サイクル・ガソリン機関である。
【００２２】
エンジン１の外郭は、シリンダヘッド１ａ、シリンダヘッド１ａの下部に連結されたシリンダブロック１ｂ、シリンダブロック１ｂの更に下部に連結されたオイルパン１ｃを備えて構成される。
【００２３】
シリンダヘッド１ａ及びシリンダブロック１ｂには冷却水が循環するための通路であるウォータジャケット２３が設けられている。このウォータジャケット２３の入口には、冷却水をエンジン１外部から吸い込み、エンジン１内部に吐出させるウォータポンプ６が設けられている。このウォータポンプ６は、エンジン１の出力軸の回転トルクを駆動源として作動するポンプである。即ち、ウォータポンプ６は、エンジン１が運転されているときに限り作動する。また、エンジン１には、ウォータジャケット２３内の冷却水の温度に応じた信号を発信するエンジン内冷却水温度センサ２９が取り付けられている。
【００２４】
エンジン１に冷却水を循環させるための通路は、ラジエータ９を循環する循環通路Ａ、ヒータコア１３を循環する循環通路Ｂ、蓄熱装置１０を循環する循環通路Ｃに分別される。各循環通路の一部には他の循環通路と共有されている個所がある。
【００２５】
循環通路Ａは、主に、冷却水の熱をラジエータ９から放出させることにより、冷却水の温度を低下させる機能を有する。
【００２６】
循環通路Ａは、ラジエータ入口側通路Ａ１、ラジエータ出口側通路Ａ２、ラジエータ９、ウォータジャケット２３で構成されている。シリンダヘッド１ａには、ラジエータ入口側通路Ａ１の一端が接続され、ラジエータ入口側通路Ａ１の他端は、ラジエータ９の入口に接続される。
【００２７】
ラジエータ９の出口には、ラジエータ出口側通路Ａ２の一端が接続され、ラジエータ出口側通路Ａ２の他端はシリンダブロック１ｂに接続されている。ラジエータ９の出口からシリンダブロック１ｂに至るラジエータ出口側通路Ａ２上には、冷却水の温度が所定温度になると開弁するサーモスタット８が設けられている。また、ラジエータ出口側通路Ａ２とシリンダブロック１ｂとは、ウォータポンプ６が介在して接続されている。
【００２８】
循環通路Ｂは、主に、冷却水の熱をヒータコア１３から放出させることにより、車室内雰囲気温度を上昇させる機能を有する。
【００２９】
循環通路Ｂは、ヒータコア入口側通路Ｂ１、ヒータコア出口側通路Ｂ２、ヒータコア１３、ウォータジャケット２３で構成されている。ヒータコア入口側通路Ｂ１の一端は、ラジエータ入口側通路Ａ１の途中に接続される。ヒータコア入口側通路Ｂ１の一部で、シリンダヘッド１ａからこの接続部までの通路は、ラジエータ入口側通路Ａ１と共有される。又、ヒータコア入口側通路Ｂ１の他端は、ヒータコア１３の入口に接続される。ヒータコア入口側通路Ｂ１の途中にはＥＣＵ２２からの信号により開閉する遮断弁３１が介在する。ヒータコア１３の出口には、ヒータコア出口側通路Ｂ２の一端が接続され、ヒータコア出口側通路Ｂ２の他端は、ラジエータ出口側通路Ａ２の途中のサーモスタット８とウォータポンプ６との間に接続されている。この接続部からシリンダブロック１ｂまでの通路及びウォータジャケット２３は、ラジエータ出口側通路Ａ２と共有される。
【００３０】
循環通路Ｃは、主に、冷却水の熱を蓄え、又、この蓄えた熱を放出してエンジン１を温める機能を有する。
【００３１】
循環通路Ｃは、蓄熱装置入口側通路Ｃ１、蓄熱装置出口側通路Ｃ２、蓄熱装置１０、ウォータジャケット２３で構成されている。蓄熱装置入口側通路Ｃ１の一端は、ヒータコア出口側通路Ｂ２の途中に接続される。シリンダヘッド１ａからこの接続部までの通路は、循環通路Ａ及びＢと共有される。一方、蓄熱装置入口側通路Ｃ１の他端は、蓄熱装置１０の入口に接続される。蓄熱装置１０の出口には、蓄熱装置出口側通路Ｃ２の一端が接続され、蓄熱装置出口側通路Ｃ２の他端は、ラジエータ入口側通路Ａ１の途中に接続される。エンジン１の内部では、循環通路Ａ及びＢとウォータジャケット２３を一部共有する。又、蓄熱装置１０の入口及び出口には、冷却水を図１中の矢印方向にのみ流通させるための逆止弁１１が設けられている。蓄熱装置１０の内部には、蓄熱装置内に蓄えられた冷却水の温度に応じて信号を発信する蓄熱装置内冷却水温度センサ２８が設けられている。更に、蓄熱装置入口側通路Ｃ１の途中で、且つ、逆止弁１１の上流側には、電動ウォータポンプ１２が介在している。
【００３２】
蓄熱装置１０は、外側容器１０ａと内側容器１０ｂとの間に真空の断熱空間が設けられ、該蓄熱装置１０の内部には冷却水が内部へ流入するときに通過する冷却水注入管１０ｃ、冷却水が外部へ流出するときに通過する冷却水注出管１０ｄ、ヒータ３２、及び蓄熱装置内冷却水温度センサ２８が設けられている。
【００３３】
このように構成された循環通路では、循環通路Ａにおいては、エンジン１が運転中には、クランクシャフト（図示省略）の回転トルクがウォータポンプ６の入力軸へ伝達されると、ウォータポンプ６は、クランクシャフトから該ウォータポンプ６の入力軸へ伝達された回転トルクに応じた圧力で冷却水を吐出する。一方、エンジン１が停止中にはウォータポンプ６が停止するので、冷却水が循環通路Ａを循環することはない。
【００３４】
前記ウォータポンプ６から吐出された冷却水は、ウォータジャケット２３を流通する。このときに、シリンダヘッド１ａ及びシリンダブロック１ｂと冷却水との間で熱の移動が行われる。シリンダ２内部で燃焼により発生した熱の一部は、シリンダ２の壁面へ伝わり、更にシリンダヘッド１ａ及びシリンダブロック１ｂの内部を伝わってシリンダヘッド１ａ及びシリンダブロック１ｂ全体の温度が上昇する。シリンダヘッド１ａ及びシリンダブロック１ｂに伝わった熱の一部は、ウォータジャケット２３内部の冷却水に伝わり、当該冷却水の温度を上昇させる。また、その分熱を失ったシリンダヘッド１ａ及びシリンダブロック１ｂの温度は低下する。このようにして、温度が上昇した冷却水は、シリンダブロック１ｂからラジエータ入口側通路Ａ１へ流出する。
【００３５】
ラジエータ入口側通路Ａ１へ流出した冷却水は、当該ラジエータ入口側通路Ａ１を流通した後ラジエータ９に流入する。ラジエータ９では、外気と冷却水との間で熱交換が行われる。温度が高くなっている冷却水の熱の一部は、ラジエータ９の壁面へ伝わり、更にラジエータ９の内部を伝わってラジエータ９全体の温度が上昇する。ラジエータ９に伝わった熱の一部は、外気に伝わり、当該外気の温度を上昇させる。また、その分熱を失った冷却水の温度は低下する。その後、温度が低下した冷却水は、ラジエータ９から流出する。
【００３６】
ラジエータ９から流出した冷却水は、ラジエータ出口側通路Ａ２を流通してサーモスタットに到達する。ここで、サーモスタット８は、ヒータコア出口側通路Ｂ２を流通する冷却水の温度が所定温度に達すると内蔵されたワックスの熱膨張により自動的に開弁する。即ち、ヒータコア出口側通路Ｂ２を流通する冷却水の温度が所定温度に達していなければ、ラジエータ出口側通路Ａ２は遮断され、該ラジエータ出口側通路Ａ２内部の冷却水はサーモスタット８を通過することはできない。
【００３７】
サーモスタット８が開弁しているときには、当該サーモスタット８を通過した冷却水はウォータポンプ６に流入する。
【００３８】
このようにして、冷却水の温度が高くなったときに限りサーモスタット８が開弁し冷却水がラジエータ９を循環する。ラジエータ９で温度が下降した冷却水は、ウォータポンプ６からウォータジャケット２３へ吐出され再度温度が上昇する。
【００３９】
一方、ラジエータ入口側通路Ａ１を流通する冷却水の一部は、ヒータコア入口側通路Ｂ１に流入する。
【００４０】
ヒータコア入口側通路Ｂ１に流入した冷却水は、当該ヒータコア入口側通路Ｂ１を流通して、遮断弁３１に到達する。遮断弁３１は、ＥＣＵ２２からの信号により、エンジン１の運転中には開弁され、エンジン１の停止中には閉弁される。エンジン１の運転中には、冷却水は遮断弁３１を通過してヒータコア入口側通路Ｂ１を流通しヒータコア１３に到達する。
【００４１】
ヒータコア１３は、車室内で空気と熱交換を行い、熱の移動により昇温された空気は図示しない送風機により車室内を循環し、車室内雰囲気温度が上昇する。その後、冷却水は、ヒータコア１３から流出し、ヒータコア出口側通路Ｂ２を流通し、ラジエータ出口側通路Ａ２と合流する。このときに、サーモスタット８が開弁しているときには、循環通路Ａを流通する冷却水と合流してウォータポンプ６へ流入する。一方、サーモスタット８が閉弁しているときには、循環通路Ｂを流通してきた冷却水がウォータポンプ６に流入する。
【００４２】
このようにして、ヒータコア１３で温度が下降した冷却水は、再度ウォータポンプ６からウォータジャケット２３へ吐出される。
【００４３】
以上述べたように構成されたエンジン１には、当該エンジン１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）２２が併設されている。このＥＣＵ２２は、エンジン１の運転条件や運転者の要求に応じてエンジン１の運転状態を制御し、又、エンジン１の運転停止中にはエンジン１の昇温制御（エンジンプレヒート制御）を行うユニットである。
【００４４】
ＥＣＵ２２には、クランクポジションセンサ２７、蓄熱装置内冷却水温度センサ２８、エンジン内冷却水温度センサ２９等の各種センサが電気配線を介して接続され、上記した各種センサの出力信号がＥＣＵ２２に入力されるようになっている。
【００４５】
ＥＣＵ２２は、電動ウォータポンプ１２、遮断弁３１等を制御することが可能なように、これらが電動ウォータポンプ１２、遮断弁３１等と電気配線を介して接続されている。
【００４６】
ここで、図２に示すように、ＥＣＵ２２は、双方向性バス３５０によって相互に接続されたＣＰＵ３５１と、ＲＯＭ３５２と、ＲＡＭ３５３と、バックアップＲＡＭ３５４と、入力ポート３５６と、出力ポート３５７とを備えるとともに、前記入力ポート３５６に接続されたＡ／Ｄコンバータ（Ａ／Ｄ）３５５を備えている。
【００４７】
前記入力ポート３５６は、クランクポジションセンサ２７のようにデジタル信号形式の信号を出力するセンサの出力信号を入力し、それらの出力信号をＣＰＵ３５１やＲＡＭ３５３へ送信する。
【００４８】
前記入力ポート３５６は、蓄熱装置内冷却水温度センサ２８、エンジン内冷却水温度センサ２９、バッテリー３０等のように、アナログ信号形式の信号を出力するセンサのＡ／Ｄ３５５を介して入力し、それらの出力信号をＣＰＵ３５１やＲＡＭ３５３へ送信する。
【００４９】
前記出力ポート３５７は、電動ウォータポンプ１２、遮断弁３１等と電気配線を介して接続され、ＣＰＵ３５１から出力される制御信号を、前記した電動ウォータポンプ１２、遮断弁３１等へ送信する。
【００５０】
前記ＲＯＭ３５２は、蓄熱装置１０からエンジン１に熱を供給するためのエンジンプレヒート制御ルーチン、ヒータ３２による冷却水加熱制御ルーチン等のアプリケーションプログラムを記憶している。
【００５１】
前記ＲＯＭ３５２は、上記したアプリケーションプログラムに加え、各種の制御マップを記憶している。前記制御マップは、例えば、エンジン１の運転状態と基本燃料噴射量（基本燃料噴射時間）との関係を示す燃料噴射量制御マップ、エンジン１の運転状態と基本燃料噴射時期との関係を示す燃料噴射時期制御マップ等である。
【００５２】
前記ＲＡＭ３５３は、各センサからの出力信号やＣＰＵ３５１の演算結果等を格納する。前記演算結果は、例えば、クランクポジションセンサ２７がパルス信号を出力する時間的な間隔に基づいて算出される機関回転数である。これらのデータは、クランクポジションセンサ２７がパルス信号を出力する都度、最新のデータに書き換えられる。
【００５３】
前記バックアップＲＡＭ３５４は、エンジン１の運転停止後もデータを記憶可能な不揮発性のメモリである。エンジン１の運転時間等が格納される。
【００５４】
次に、エンジン１の昇温制御（以下、「エンジンプレヒート制御」と称する。）についてその概要を説明する。
【００５５】
エンジン１の運転中に、ＥＣＵ２２が電動ウォータポンプ１２に信号を送り、当該電動ウォータポンプ１２を作動させると、循環通路Ｃに冷却水が循環する。
【００５６】
ヒータコア出口側通路Ｂ２を流通する冷却水の一部は、蓄熱装置入口側通路Ｃ１に流入し、当該蓄熱装置入口側通路Ｃ１を流通して電動ウォータポンプ１２に到達する。電動ウォータポンプ１２は、ＥＣＵ２２からの信号により作動して、所定の圧力で冷却水を吐出する。
【００５７】
電動ウォータポンプ１２から吐出された冷却水は、蓄熱装置入口側通路Ｃ１を流通して逆止弁１１を通過し、蓄熱装置１０に到達する。冷却水注入管１０ｃから蓄熱装置１０の内部に流入した冷却水は、冷却水注出管１０ｄから蓄熱装置の外部へと流出する。
【００５８】
蓄熱装置１０の内部に流入した冷却水は、外部から断熱された状態となり保温される。蓄熱装置１０から流出した冷却水は、逆止弁１１を通過し、蓄熱装置出口側通路Ｃ２を流通してラジエータ入口側通路Ａ１に流入する。
【００５９】
このように、蓄熱装置１０の内部には、エンジン１で昇温された冷却水が流通し、蓄熱装置１０の内部は温度の高い冷却水で満たされる。そして、エンジン１が停止した後、ＥＣＵ２２が電動ウォータポンプ１２の作動を停止すれば、蓄熱装置１０に温度の高い冷却水を蓄えることができる。蓄えられた冷却水は、蓄熱装置１０の保温効果により温度の低下が抑制される。
【００６０】
エンジンプレヒート制御は、ＥＣＵ２２にトリガー信号が入力されたときに、ＥＣＵ２２が起動して開始される。
【００６１】
本制御実行開始条件となるトリガー信号には、例えば、図示しないドア開閉センサが発信する運転席側のドアの開閉信号が挙げられる。車両運転者が、車両に搭載されたエンジン１を始動するには、その前に車両のドアを開いて乗車する動作が当然に伴う。そこで、車両のドアが開けられたと検知した場合には、ＥＣＵ２２が起動してエンジンプレヒート制御を行い、車両運転者がエンジン１を始動するときにはエンジン１が温まった状態にあるようにする。
【００６２】
ＥＣＵ２２は、蓄熱装置１０に蓄えられた温度の高い冷却水をエンジン１の停止中に循環通路Ｃに循環させ、当該エンジン１の昇温制御を行う。
【００６３】
図３は、エンジン１の停止中に蓄熱装置１０からエンジン１に熱が供給されるときの、冷却水が循環する通路とその流通方向を示した図である。蓄熱装置１０からエンジンに熱が供給されているときのウォータジャケット２３における冷却水流通方向は、エンジン１が運転されているときの冷却水流通方向とは反対となる。ここで、エンジンプレヒート制御実行中には、遮断弁３１はＥＣＵ２２により閉弁される。
【００６４】
電動ウォータポンプ１２は、ＥＣＵ２２からの信号に基づいて作動し、所定の圧力で冷却水を吐出する。吐出された冷却水は、蓄熱装置入口側通路Ｃ１を流通して逆止弁１１を通過し、蓄熱装置１０に到達する。このときに蓄熱装置１０に流入する冷却水は、エンジン１の停止中に温度が低下した冷却水である。
【００６５】
蓄熱装置１０の内部に貯留された冷却水は、冷却水注出管１０ｄを介して蓄熱装置１０から流出する。このときに蓄熱装置１０から流出する冷却水は、エンジン１の運転中に蓄熱装置１０に流入し、当該蓄熱装置１０により保温された温度の高い冷却水である。蓄熱装置１０から流出した冷却水は、逆止弁１１を通過し、蓄熱装置出口側通路Ｃ２を流通してシリンダヘッド１ａに流入する。ここで、エンジン１の停止中には、ＥＣＵ２２からの信号により遮断弁３１は閉弁されるため、ヒータコア１３には冷却水が循環することはない。また、冷却水温度がサーモスタット８の開弁温度よりも高いときには、蓄熱装置１０からエンジン１へ熱の供給を行う必要が無いためエンジンプレヒート制御は行われない。即ち、エンジン１の停止中に冷却水の循環が行われるのは、サーモスタット８が閉弁しているときに限られる。従って、エンジンプレヒート制御中にヒータコア１３及びラジエータ９に冷却水が循環して熱交換が行われることにより冷却水の温度が低下することはない。
【００６６】
シリンダヘッド１ａに流入した冷却水は、ウォータジャケット２３を流通する。ウォータジャケット２３では、シリンダヘッド１ａと冷却水との間で熱交換が行われる。冷却水が持つ熱の一部は、シリンダヘッド１ａ及びシリンダブロック１ｂの内部を伝わりエンジン1全体の温度が上昇する。また、その分熱を失った冷却水の温度は低下する。
【００６７】
このようにして、ウォータジャケット２３で熱の移動が行われて温度が低下した冷却水は、シリンダブロック１ｂから流出し、蓄熱装置入口側通路Ｃ１を流通して電動ウォータポンプ１２に到達する。
【００６８】
このように、ＥＣＵ２２は、エンジン１の始動に先立ち電動ウォータポンプ１２を作動させることにより、シリンダヘッド１ａの昇温（エンジンプレヒート制御）を行う。
【００６９】
ヒータ３２は、蓄熱装置１０の内部に貯留された冷却水の温度が低下したときに冷却水を加熱する。ヒータ３２には、チタン酸バリウムに添加剤を加えて形成されたＰＴＣサーミスタ（Positive Temperature Coefficient Thermistor）を採用する。ＰＴＣサーミスタは、所定温度（キュリー点）に達すると抵抗値が急激に上昇する性質を持った感熱抵抗素子である。電圧を加えて発熱した素子は、キュリー点に達すると抵抗が大きくなるために電流が流れにくくなり温度が低下する。そして温度が低下すると、今度は抵抗が小さくなるために電流が流れやすくなり温度が上昇する。このように、ＰＴＣサーミスタは、外部から温度の制御せずとも略一定の温度で安定する自己温度制御が可能である。
【００７０】
このようなヒータ３２を設けると、エンジン１が停止中に循環されて温度が低下した冷却水を再度昇温することができるため、蓄熱装置１０の昇温機能を長期に亘り持続することが可能となる。尚、本実施の形態では、ヒータ３２に常時電力を供給するのではなくＣＰＵ３５１により通電制御が行われる。
【００７１】
ところで、本実施の形態で適用するシステム、即ちエンジン１及び蓄熱装置１０間を循環する冷却水により両部材１、１０の熱交換を行うシステムでは、蓄熱装置１０内に蓄えられた冷却水（熱水）がエンジン１に供給される一方で、エンジン１内の冷却水が蓄熱装置１０へ流入する。このため、エンジン１内の冷却水温度が徐々に上昇する一方で、蓄熱装置１０内の冷却水温度は徐々に低下していく。エンジン1の始動が何等かの要因で延期された場合には、昇温されたエンジン１の温度が低下するため再度昇温する必要が生じるが、このときには蓄熱装置１０内の冷却水温度が低下しているため十分な効果を得ることができない。ここで、蓄熱装置１０内の温度が低下した冷却水を加熱すると、再度エンジン１へ温水を循環させ熱の供給を行うことが可能となるが、冷却水の加熱には、バッテリー３０からの電力供給を必要とする。このバッテリー３０は、エンジン１を始動させるときにスタータモータ（図示省略）等に電力を供給するため、このときに必要な電力までもが冷却水の加熱に使用されてしまうとエンジン１の始動性が悪化する虞がある。
【００７２】
そこで、本実施の形態では、エンジン１の運転時間に基づいて冷却水加熱時間を決定する。ここで、エンジン１の運転時間とバッテリー３０に充電される電気量との間には相関関係があり、また、ヒータ３２の消費電力とヒータ３２の通電時間との間には相関関係があるため、エンジン１の運転時間に基づいてヒータ３２に通電可能となる時間を算出することができる。このように、本実施の形態では、バッテリー３０に充電された電気量を考慮して冷却水の加熱を行うため、始動性を悪化させることがなく、また、いわゆるバッテリー上がりを防止することができる。
【００７３】
次に、このような冷却水加熱制御を行うときの制御フローについて説明する。
【００７４】
図４及び図５は、冷却水加熱制御のフローを表すフローチャート図である。この冷却水加熱制御は、エンジン１内の冷却水温度が所定温度（例えば８０℃。以下、「保温目標温度」とする。）以下に低下したときに、ＥＣＵ２２が起動して開始される。
【００７５】
ここで、ＥＣＵ２２が起動すると先ずＣＰＵ３５１はヒータ３２の通電回数を示すカウンターｎの値をリセットして０とする。
【００７６】
ステップＳ１０１では、前回の冷却水加熱制御終了後にバッテリー３０に残されている使用可能な電気量を算出する。ここで、前回の冷却水加熱制御実行前にバッテリーに充電されている使用可能な電気量Ａｂａｔ０と前回の冷却水加熱制御でヒータ３２により消費された電気量Ａｅｘとの偏差を前回からの消費可能追加電気量Ａｂａｔ１とする。
【００７７】
前回の冷却水加熱制御実行前にバッテリーに充電されていた電気量Ａｂａｔ０は、前回のエンジンプレヒート制御実行中に求められ、バックアップＲＡＭ３５４に記憶される。また、前回の冷却水加熱制御でヒータ３２により消費された電気量Ａｅｘは、ヒータ３２の単位時間当たりの消費電気量を予め求めておき、この値に計測されたヒータ３２の通電時間を乗ずることにより求めることができる。前回の冷却水昇温制御でヒータ３２に通電される度に消費された電気量がバックアップＲＡＭ３５４に加算されて電気量Ａｅｘとなる。
【００７８】
ステップＳ１０２では、前回の冷却水加熱制御後にエンジン１が始動されたか否か判定する。エンジン１が始動されたと判定された場合にはステップＳ１０４へ進む。一方、ステップＳ１０２で否定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ進む。
【００７９】
ステップＳ１０３では、前回のエンジン１の運転時にバッテリー３０に充電された電気量Ａｂａｔを０とする。ここでは、前回の冷却水加熱制御後にエンジン１の運転がされていないために、オルタネータによる発電が行われないのでバッテリー３０に充電されている電気量が増加することはない。ＣＰＵ３５１は、Ａｂａｔ＝０をＲＡＭ３５３に記憶させ、ステップＳ１０５へ進む。
【００８０】
ステップＳ１０４では、前回のエンジン１の運転中にバッテリー３０に充電された電気量Ａｂａｔを算出する。
【００８１】
ここで、図６は、充電時間（エンジン１の運転時間）とバッテリー３０に充電される電気量との関係を示す図である。このマップを予めＲＯＭ３５２に記憶させておくと、エンジン１の運転時間から今回の充電量Ａｂａｔを求めることができる。この充電量Ａｂａｔは、エンジン１始動時にスタータモータで消費された電気量を考慮して求めることが望ましい。具体的には、図６から得られる新たにバッテリー３０に充電された電気量と、エンジン１始動時にスタータモータで消費された電気量との偏差を充電量Ａｂａｔとする。エンジン１の運転時間は、バックアップＲＡＭ３５４に記憶させておいたものを用いる。ＣＰＵ３５１は、算出した充電量Ａｂａｔの値をＲＡＭ３５３に記憶させ、ステップＳ１０５へ進む。
【００８２】
ステップＳ１０５では、今回の冷却水昇温時にヒータ３２が消費可能な電気量Ａｂａｔ０を算出する。今回の冷却水昇温時にヒータ３２が消費可能な電気量Ａｂａｔ０は、ステップＳ１０１で算出された電気量Ａｂａｔ１にステップＳ１０３またはステップＳ１０４で算出された電気量Ａｂａｔを加えることで求められる。求められた電気量Ａｂａｔ０は、バックアップＲＡＭ３５４に記憶される。
【００８３】
ステップＳ１０６では、蓄熱装置１０内の温度が保温目標温度（例えば８０℃）よりも高いか否か判定する。肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０７へ進むが、このときには蓄熱装置１０内の冷却水を昇温する必要はない。一方、否定判定がなされた場合には、ステップＳ１０８へ進み、冷却水の昇温制御が行われる。
【００８４】
ステップＳ１０７では、放置初期水温Ｔｗ０をエンジン１停止時の蓄熱装置１０内の冷却水温度とする。
【００８５】
ステップＳ１０８では、ヒータ３２の昇温可能温度（例えば９０℃）に蓄熱装置１０内の冷却水を加熱するためにヒータ３２が必要とする消費電気量Ａｂａｔ９０を算出する。この値は、蓄熱装置１０内の冷却水量（容積）とヒータ３２の単位時間あたりの消費電気量とを予めＲＯＭ３５２に記憶させておき、蓄熱装置１０内の冷却水を現在の温度からヒータ３２の昇温可能温度（例えば９０℃）に昇温させるために必要なエネルギー量を算出することにより求まる。
【００８６】
ステップＳ１０９では、ヒータ３２が必要とする電気量がバッテリー３０に充電されているか否か判定する。ここでは、ステップＳ１０５で求めた今回の冷却水昇温時にヒータ３２が消費可能な電気量Ａｂａｔ０と、ステップＳ１０８で求めた蓄熱装置１０内の冷却水温度が昇温可能温度（例えば９０℃）に達するために必要な消費電気量Ａｂａｔ９０との偏差であるＡｂａｔｒが０よりも大きいか否かで判定される。肯定判定がなされた場合には、ステップＳ１１２へ進み、否定判定がなされた場合には、ステップＳ１１０へ進む。
【００８７】
ステップＳ１１０では、ステップＳ１０９で算出された電気量Ａｂａｔｒに相当する時間ヒータ３２に通電を行う。通電時間は、ヒータ３２の単位時間あたりの消費電力量により求まる。
【００８８】
ステップＳ１１１では、今回のエンジン１の停止中には、以降のヒータ３２への通電による冷却水の昇温を禁止し本ルーチンを終了する。
【００８９】
ステップＳ１１２では、ステップＳ１０８で算出された蓄熱装置１０内の冷却水を現在の温度からヒータ３２の昇温可能温度（例えば９０℃）に昇温させるために必要なヒータ３２の消費電気量Ａｂａｔ９０に相当する時間ヒータ３２に通電を行う。ヒータ３２が電気量Ａｂａｔ９０に相当する電気量を消費してもバッテリー３０にはそれ以上の電気量Ａｂａｔ０が充電されているため、いわゆるバッテリー上がりが起こることはない。
【００９０】
ステップＳ１１３では、放置初期水温Ｔｗ０を９０℃とする。
【００９１】
ステップＳ１１４では、消費可能な電気量Ａｂａｔ０にステップＳ１０９で算出された電気量Ａｂａｔｒの値を代入する。ヒータ３２通電後は、バッテリー３０に残存するヒータ３２が使用可能な電気量はステップＳ１１２で消費された量だけ減少する。新たな電気量Ａｂａｔ０の値は、バックアップＲＡＭ３５４に記憶される。
【００９２】
ステップＳ１１５では、ステップＳ１０７またはステップＳ１１３で算出された放置初期水温Ｔｗ０とエンジン１の停止時の外気温度Ｔａ０とから蓄熱装置１０内の冷却水の温度が保温目標水温Ｔｗｈ（例えば８０℃）まで低下する時間Ｔｉｍｅ１を算出する。時間Ｔｉｍｅ１の算出には、予め放置初期水温Ｔｗ０とエンジン１の停止時の外気温度Ｔａ０と時間Ｔｉｍｅ１との関係をマップ化しておいても良い。
【００９３】
ステップＳ１１６では、蓄熱装置１０内の冷却水の温度を所定温度（例えば１０℃）上昇させるために必要な電気量Ａｂａｔ１０を算出する。このときの冷却水温度は、保温目標水温Ｔｗｈ（例えば８０℃）となっており、冷却水を再度ヒータ３２の昇温可能温度（例えば９０℃）に昇温するのに必要な電気量Ａｂａｔ１０を算出する。
【００９４】
ステップＳ１１７では、ヒータ３２が必要とする電気量がバッテリー３０に充残存しているか否か判定する。ここでは、ステップＳ１１４で求めた今回の冷却水昇温時にヒータ３２が消費可能な電気量Ａｂａｔ０と、ステップＳ１１６で求めた蓄熱装置１０内の冷却水の温度を所定温度（例えば１０℃）上昇させるために必要な電気量Ａｂａｔ１０との偏差が０よりも大きいか否かで判定される。肯定判定がなされた場合には、ステップＳ１２１へ進み、否定判定がなされた場合には、ステップＳ１１８へ進む。
【００９５】
ステップＳ１１８では、今回の冷却水昇温時にヒータ３２が消費可能な電気量Ａｂａｔ０に相当するヒータ３２の通電時間Ｔｔ０を算出する。
【００９６】
ステップＳ１１９では、前回のヒータ３２通電終了からステップＳ１１５で算出した時間Ｔｉｍｅ１が経過したときにステップＳ１１８で算出した時間Ｔｔ０だけヒータ３２に通電が行われる。
【００９７】
ステップＳ１２０では、これ以降の今回のエンジン１停止中にはヒータ３２の通電による冷却水の昇温を禁止し本ルーチンを終了する。
【００９８】
ステップＳ１２１では、ステップＳ１１６で求めた電気量Ａｂａｔ１０に相当するヒータ３２の通電時間Ｔｔ１０を算出する。
【００９９】
ステップＳ１２２では、前回のヒータ３２通電終了からステップＳ１１５で算出した時間Ｔｉｍｅ１が経過したときにステップＳ１２１で算出した時間Ｔｔ１０だけヒータ３２に通電が行われる。
【０１００】
ステップＳ１２３では、電気量Ａｂａｔ０と電気量Ａｂａｔ１０との偏差を新たに電気量Ａｂａｔ０とする。このときにバッテリー３０の使用可能電気量は新たに算出された電気量Ａｂａｔ０である。新たな電気量Ａｂａｔ０の値は、バックアップＲＡＭ３５４に記憶される。
【０１０１】
ステップＳ１２４では、カウンターｎの値に１を加える。
【０１０２】
ステップＳ１２５では、カウンターｎの値が２であるか否か判定をする。カウンターｎの値が２のときには、ステップＳ１１２で１回ヒータ３２の通電が行われた後更にステップＳ１２２で２回ヒータ３２の通電が行われたときである。即ち合計３回の冷却水の昇温が行われているのであるが、このときにまだエンジン１が始動されていない場合には、何等かの要因でエンジン１の始動が延期されていると考えられる。そこで、肯定判定がなされたときにはこれ以上ヒータ３２の通電は行わずにルーチンを終了させ、次回冷却水の昇温が必要となったときに再度ヒータ３２に通電可能な電気量をバッテリーに蓄えておくことにする。一方、否定判定がなされた場合には、再度冷却水の昇温を行うためにステップＳ１０６へ戻る。
【０１０３】
図７は、本ルーチンが実行されたときの蓄熱装置１０内の冷却水温度の推移を示す図である。このように、エンジン１が始動されるまでバッテリーに蓄えられている電気量に基づいて繰り返し蓄熱装置１０内の冷却水の昇温が行われる。
【０１０４】
ここで、従来のエンジンでは、蓄熱装置内の経年変化等による保温性の低下が考慮されていなかった。エンジンプレヒート制御の完了後、運転者が実際にエンジンを始動するまでには相当な期間が経過することもあり、一旦エンジンプレヒート制御が完了した場合であれ、エンジンはエンジンプレヒート制御完了後の温度をできるだけ長期に亘り保持することが望ましい。更に、比較的短期のエンジンの運転を断続的に繰り返したり、前回のエンジン運転終了時から長期に亘りエンジンの始動が行われなかったりした場合等、蓄熱装置内に十分量の熱が蓄えられていないこともある。このようなときには、大容量のヒータで冷却水を加熱する必要が生じるが、保温性の低下を考慮していないと保温時に大電流が長期間流れてしまいいわゆるバッテリー上がりを誘発する虞がある。このような問題を解決するためには、電流計等を設けバッテリーの充電量を監視する必要があった。
【０１０５】
この点、本実施の形態に係る蓄熱装置１０を備えたエンジン１によれば、エンジン１の運転時間を加味しつつ、ヒータ３２による冷却水の加熱を断続的に実施することにより、電流計等の計測装置を用いることなくバッテリー上がりを防止することができる。
【０１０６】
以上説明したように、本実施の形態によれば、バッテリー３０に蓄えられた電気量の範囲内でヒータ３２が冷却水の加熱を行うことができる。
【０１０７】
【発明の効果】
本発明に係る蓄熱装置を備えた内燃機関は、蓄熱手段に蓄えられたエネルギーを使用して蓄熱装置の熱媒体を加熱する加熱手段を具備するものにおいて、蓄電手段に蓄えておくべき必要最小限のエネルギーを確保しつつ、蓄熱装置の熱媒体を最大限に加熱することが可能となる。
【０１０８】
従って、本発明に係る蓄熱装置を備えた内燃機関によれば、内燃機関の始動性等に影響を与えることなく最大限の熱を蓄えておくことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る内燃機関の蓄熱装置を適用するエンジンとその冷却水が循環する冷却水通路とを併せ示す概略構成図である。
【図２】 ＥＣＵの内部構成を示すブロック図である。
【図３】 エンジンの停止中に蓄熱装置からエンジンに熱が供給されるときの、冷却水が循環する通路とその流通方向を示した図である。
【図４】 本発明の実施の形態に係る冷却水加熱制御のフローを表すフローチャート図の前半部分である。
【図５】 本発明の実施の形態に係る冷却水加熱制御のフローを表すフローチャート図の後半部分である。
【図６】 充電時間（エンジンの運転時間）とバッテリーに充電される電気量との関係を示す図である。
【図７】 冷却水加熱制御が実行されたときの蓄熱装置内の冷却水温度の推移を示すタイムチャート図である。
【符号の説明】
１・・・・エンジン
１ａ・・・シリンダヘッド
１ｂ・・・シリンダブロック
１ｃ・・・オイルパン
２・・・・シリンダ
６・・・・ウォータポンプ
８・・・・サーモスタット
９・・・・ラジエータ
１０・・・蓄熱装置
１０ａ・・外側容器
１０ｂ・・内側容器
１０ｃ・・冷却水注入管
１０ｄ・・冷却水注出管
１１・・・逆止弁
１２・・・電動ウォータポンプ
１３・・・ヒータコア
２２・・・ＥＣＵ
２３・・・ウォータジャケット
２７・・・クランクポジションセンサ
２８・・・蓄熱装置内冷却水温度センサ
２９・・・エンジン内冷却水温度センサ
３０・・・バッテリー
３１・・・遮断弁
３２・・・ヒータ
Ａ・・・・循環通路
Ａ１・・・ラジエータ入口側通路
Ａ２・・・ラジエータ出口側通路
Ｂ・・・・循環通路
Ｂ１・・・ヒータコア入口側通路
Ｂ２・・・ヒータコア出口側通路
Ｃ・・・・循環通路
Ｃ１・・・蓄熱装置入口側通路
Ｃ２・・・蓄熱装置出口側通路

Claims (3)

1. 熱媒体が持つ熱を蓄える蓄熱手段と、
   前記蓄熱手段に蓄えられた熱媒体を内燃機関へ供給する熱供給手段と、
   前記内燃機関の運転時に発生するエネルギーを蓄える蓄電手段と、
   前記蓄電手段からエネルギーを供給されて前記蓄熱手段に蓄えられた熱媒体を加熱する加熱手段と、
   前記内燃機関の運転時間に基づいて前記加熱手段が消費可能なエネルギー量を算出する消費制限算出手段と、
   を備え、
   前記加熱手段は、前記消費制限算出手段が算出した消費可能なエネルギー量の範囲内で熱媒体の加熱を行うことを特徴とする蓄熱装置を備えた内燃機関。
2. 前記消費制限算出手段は、前回に前記内燃機関が運転される前に前記蓄電手段に蓄えられていたエネルギー量と、前回に前記内燃機関が運転されたときの機関運転時間とに基づいて前記加熱手段が消費可能なエネルギー量を算出することを特徴とする請求項１に記載の蓄熱装置を備えた内燃機関。
3. 前記蓄熱手段に蓄えられた熱媒体の温度を計測する熱媒体温度計測手段を備え、
   前記加熱手段は、内燃機関停止中に前記熱媒体温度計測手段の計測値が所定温度以下になる度に所定時間熱媒体の加熱を行い、内燃機関停止中の消費エネルギーの合計が前記消費制限算出手段の算出結果よりも大きくなると加熱を停止することを特徴とする請求項１に記載の蓄熱装置を備えた内燃機関。

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