JP5605319B2 - 内燃機関の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の冷却装置に関する。

内燃機関を冷却する冷却水として、固相状態と液相状態との間で相変化することにより媒体の比熱を変更する粒子を含むことで比熱が可変する冷却水を用いる技術が開示されている（例えば特許文献１参照）。これにより、粒子の蓄熱効果により熱を効率的に輸送することができ、その分だけポンプによる冷却水の循環量を少なくすることができ、冷却対象熱源の冷却効率を向上させることができる。

特開２００９−０４４８９６号公報

特許文献１に開示された比熱が可変する冷却水であると、粒子を含ませる冷却水媒体（溶媒）に、低比熱な冷却水媒体を使用することになる。低比熱な冷却水媒体を使用すると、冷却水に含まれる粒子によって高比熱となる比熱変化帯以外の温度域では、温度変化が激しい。そうすると、冷却水が比熱変化帯を超えて温度上昇した際に冷却が間に合わず、内燃機関のオーバーヒートを招くおそれがある。

本発明の目的は、複数の温度域で比熱変化帯を有する冷却水を使用して、内燃機関のオーバーヒートを抑制する技術を提供することにある。

本発明にあっては、以下の構成を採用する。すなわち、本発明は、
複数の温度域で比熱が変化している状態の比熱変化帯を有する冷却水を使用する内燃機関の冷却装置であって、
最も高い温度域の比熱変化帯は、前記内燃機関がオーバーヒートする温度よりも低い温度域に設けられ、
２番目に高い温度域の比熱変化帯における比熱の変化で許容可能な許容受熱量を、他の比熱変化帯における許容受熱量よりも多くすることを特徴とする内燃機関の冷却装置である。

ここで、比熱変化帯とは、冷却水の比熱が変化している状態の温度帯であり、この比熱変化帯では、冷却水に付与される熱量に変化が生じても、比熱が変化し冷却水の温度が変化し難くなるものである。また、許容受熱量とは、冷却水の比熱が変化することで冷却水が温度変化せずに許容可能となる受熱量であり、この許容受熱量を超えると、冷却水の温度が比熱変化帯から逸脱してしまうものである。

本発明によると、最も高い温度域の比熱変化帯が、内燃機関がオーバーヒートする温度よりも低い温度域に設けられるので、冷却水の温度が、内燃機関がオーバーヒートする直前に最も高い温度域の比熱変化帯を超え難くなる。よって、冷却水の温度が最も高い温度域の比熱変化帯を超えるまでの時間を長く稼ぐことができ、冷却水の温度が最も高い温度域の比熱変化帯を超えて生じる内燃機関のオーバーヒートを抑制することができる。また、２番目に高い温度域の比熱変化帯における許容受熱量が多いので、冷却水の温度が２番
目に高い温度域の比熱変化帯に維持され易くなる。よって、冷却水の温度が２番目に高い温度域の比熱変化帯で制御できる時間を長く稼ぐことができ、冷却水の温度を２番目に高い温度域の比熱変化帯を利用して制御し易くなる。したがって、複数の温度域で比熱変化帯を有する冷却水を使用して、内燃機関のオーバーヒートを抑制することができる。

前記最も高い温度域の比熱変化帯は、前記内燃機関のサーモスタットが開弁する温度よりも低い温度域に設けられるとよい。

本発明によると、冷却水が温度上昇して内燃機関のサーモスタットが開弁する前に、最も高い温度域の比熱変化帯で多くの熱量を受熱することができ、冷却水の温度を高い状態に維持することもできる。よって、内燃機関のサーモスタットが開弁する温度よりも低い温度域に設けられた最も高い温度域の比熱変化帯を有効利用することができる。

前記冷却水は、相変化することにより媒体の比熱を変更する多種類の粒子を含むことで、複数の温度域で比熱変化帯を有するとよい。

本発明によると、多種類の粒子が異なる温度域で相変化することにより、各種類の粒子が相変化する温度域が比熱変化帯となる。

本発明によると、複数の温度域で比熱変化帯を有する冷却水を使用して、内燃機関のオーバーヒートを抑制することができる。

本発明の実施例１に係る内燃機関の概略構成を示す図である。 実施例１に係る冷却水のモデルを示す図である。 実施例１に係る冷却水の温度と比熱との関係を示す図である。 実施例１に係る比熱が変化する冷却水の温度上昇時の経過時間に対する冷却水の温度変化の特性曲線を示す図である。

以下に本発明の具体的な実施例を説明する。
＜実施例１＞
図１は、本発明の実施例１に係る内燃機関の冷却装置を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１では、シリンダブロック及びシリンダヘッドを冷却するために冷却水が冷却水通路２を循環する。冷却水通路２としては、冷却水がラジエータ３を流通する通路２ａ、冷却水がオイルクーラ４を流通する通路２ｂ、冷却水がスロットル弁５ａ及びＥＧＲ弁５ｂを流通する通路２ｃ、冷却水がリザーバタンク６を流通する通路２ｄ、冷却水がヒータコア７を流通する通路２ｅ、冷却水がＥＧＲクーラ８を流通する通路２ｆ、冷却水がそのまま流通するバイパス通路２ｇが設けられている。

ラジエータ３は、冷却水と外気とで熱交換して冷却水を冷却する。オイルクーラ４は、水冷式オイルクーラであり、内燃機関１に供給されるオイルと冷却水とで熱交換してオイルを冷却する。スロットル弁５ａは、内燃機関１で吸気量を制御する弁であり、冷却水で冷却される。ＥＧＲ弁５ｂは、内燃機関１に還流される排気の一部であるＥＧＲガス量を制御する弁であり、冷却水で冷却される。リザーバタンク６は、冷却水を一時的に貯留する。ヒータコア７は、温められた冷却水により室内へ供給される空気を温める。ＥＧＲクーラ８は、水冷式ＥＧＲクーラであり、内燃機関１に還流されるＥＧＲガスと冷却水とで熱交換してＥＧＲガスを冷却する。

冷却水がラジエータ３を流通する通路２ａには、シリンダブロックから通じる冷却水がオイルクーラ４を流通する通路２ｂが合流する。また、冷却水がラジエータ３を流通する通路２ａからは、冷却水がスロットル弁５ａ及びＥＧＲ弁５ｂを流通する通路２ｃ、並びに、冷却水がリザーバタンク６を流通する通路２ｄが分岐する。シリンダブロックから通じた冷却水がＥＧＲクーラ８を流通する通路２ｆは、冷却水がヒータコア７を流通する通路２ｅに合流する。

冷却水がラジエータ３を流通する通路２ａ及びバイパス通路２ｇが合流する部位には、電子サーモスタット９が配置されている。電子サーモスタット９は、指令に応じて開閉制御される制御弁であり、開弁することで冷却水がラジエータ３を流通するように冷却水の流通経路及び流通量を変更して冷却水の温度を低下させることができる。この開弁時、バイパス通路２ｇは冷却水の流通量が絞られる。反対に、電子サーモスタット９を閉弁することで冷却水がラジエータ３を流通し難くするように冷却水の流通経路及び流通量を変更して冷却水の温度を低下し難くすることができる。この閉弁時、バイパス通路２ｇは冷却水の流通量が増加する。電子サーモスタット９の下流では冷却水をウォータポンプ１０に送り込む。ウォータポンプ１０は、冷却水を汲み上げて内燃機関１のシリンダブロックへ供給する。また、内燃機関１の出口に冷却水通路２が接続された部位には、水温センサ１１が配置され、水温センサ１１で内燃機関１から流出した冷却水の温度を検出する。電子制御により開閉する電子サーモスタット９の代わりに温度に応じて開閉するサーモスタットを用いても良い。

ここで、冷却水通路２を流通する冷却水は、比熱が可変する冷却水であって、３つの温度域で比熱が変化している状態の比熱変化帯Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３を有する冷却水である。すなわち、冷却水は、固相状態と液相状態との間で相変化したり、液相状態と気相状態との間で相変化したりすることにより媒体の比熱を変更する３種類の粒子を含み比熱が可変する冷却水である。なお、粒子としては、固相状態と液相状態との間で相変化するものだけでなく、液相状態と気相状態との間で相変化するもの等を用いることができる。この粒子は、例えば、カプセルの中に、潜熱等で蓄熱でき、相変化する物質を入れて構成される。また、冷却水としては、３つの温度域で比熱変化帯を有するものだけでなく、４つ以上の温度域で比熱変化帯を有するものでもよい。冷却水は、図２に示すように温度が一定以上になると内部の物質が固体から液体に相変化するような物質をカプセルで包んだ３つの粒子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を、冷却水の溶媒の中に混入させたものである。図２は、本実施例に係る冷却水のモデルを示す図である。図２では、粒子Ｐ１が相変化する場合を例示している。

図３は、本実施例に係る冷却水の温度と比熱との関係を示す図である。図２に示すように冷却水中の３種類の複数の粒子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が固相状態と液相状態との間で相変化することにより、３種類の粒子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が冷却水の温度に応じて相変化して冷却水の比熱が変化している比熱変化帯Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３が生じる（図３参照）。この比熱変化帯Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３は、冷却水に熱が付与されても、粒子が相変化して冷却水の比熱が変化している状態の相変化温度帯となる（図４参照）。すなわち比熱変化帯とは、冷却水の比熱が変化している状態の温度帯であり、この比熱変化帯では、冷却水に付与される熱量に変化が生じても、比熱が変化し冷却水の温度が変化し難くなるものである。ここで、図３に示すように、３つの比熱変化帯Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３のうち、２番目に高い温度域の比熱変化帯Ｃ２における比熱の変化で許容可能な許容受熱量を、他の比熱変化帯Ｃ１，Ｃ３における許容受熱量よりも多くしている。ここで、許容受熱量とは、冷却水の比熱が変化することで冷却水が温度変化せずに許容可能となる受熱量であり、この許容受熱量を超えると、冷却水の温度が比熱変化帯から逸脱してしまうものである。言い換えると、図３に示すように、２番目に高い温度域の比熱変化帯Ｃ２における比熱変化量を、その他の比熱変化帯Ｃ１，Ｃ３における比熱変化量よりも多くしている。このように許容受熱量を異な
らせるために、比熱変化帯Ｃ２を形成する粒子Ｐ２の量を、比熱変化帯Ｃ１，Ｃ３を形成する粒子Ｐ１，Ｐ３の量よりも多くしている。

図４は、本実施例に係る比熱が変化する冷却水の温度上昇時の経過時間に対する冷却水の温度変化の特性曲線を示す図である。図４に示すように冷却水が電子サーモスタット９の開弁温度に達する前に、３つの比熱変化帯Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３を経過する。つまり、図３に示すように、最も高い温度域の比熱変化帯Ｃ３は、内燃機関１の電子サーモスタット９が開弁する温度よりも低い温度域に、電子サーモスタット９が開弁する温度に近付けて設けられている。これにより、冷却水が温度上昇して内燃機関１の電子サーモスタット９が開弁する前に、最も高い温度域の比熱変化帯Ｃ３で多くの熱量を受熱することができる。これにより、冷却水の温度を高温状態に維持する場合には、内燃機関１のオーバーヒートを抑制しつつ、内燃機関１の燃費を向上することができるようにしている。よって、内燃機関１の電子サーモスタット９が開弁する温度よりも低い温度域に設けられた最も高い温度域の比熱変化帯Ｃ３を有効利用するようにしている。このような冷却水を用いることにより、内燃機関１の暖機過程では従来よりも冷却水の比熱を下げておくことで内燃機関１の暖機性を向上して燃費向上でき、暖機後はある一定の温度域（相変化温度帯）で比熱が高くなることから、受熱量の許容範囲が増大してオーバーヒート等を回避することができる。

この内燃機関１には、ＥＣＵ（電子制御ユニット）１２が併設されている。ＥＣＵ１２には、水温センサ１１等の各種センサが電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ１２に入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ１２には、スロットル弁５ａ、ＥＧＲ弁５ｂ、ヒータコア７、及び電子サーモスタット９、ウォータポンプ１０等が電気配線を介して接続されており、ＥＣＵ１２によりこれらの機器が制御される。

（冷却水）
従来から比熱が可変する冷却水を使用することは考えられていた。この比熱が可変する冷却水であると、比熱変化を大きくするためや暖機性の向上のために、粒子を含ませる冷却水媒体（溶媒）に、低比熱な冷却水媒体を使用することになる。低比熱な冷却水媒体を使用すると、冷却水に含まれる粒子によって高比熱となる比熱変化帯以外の温度域では、温度変化が激しい。そうすると、冷却水が比熱変化帯を超えて温度上昇した際に冷却が間に合わず、内燃機関のオーバーヒートを招くおそれがある。

そこで、本実施例では、電子サーモスタット９の開弁する温度に低温側において近付けて最も高い温度域の比熱変化帯Ｃ３を設けるようにした。本実施例によると、最も高い温度域の比熱変化帯Ｃ３が、電子サーモスタット９の開弁する温度よりも低温側に設けられているので、冷却水の温度が最も高い温度域の比熱変化帯Ｃ３を超え難くなる。よって、冷却水の温度が最も高い温度域の比熱変化帯Ｃ３を超えるまでの時間を長く稼ぐことができ、冷却水の温度が最も高い温度域の比熱変化帯Ｃ３を超えて生じる内燃機関１のオーバーヒートを抑制することができる。また、２番目に高い温度域の比熱変化帯Ｃ２における許容受熱量を、他の比熱変化帯Ｃ１，Ｃ３における許容受熱量よりも多くするようにした。本実施例によると、２番目に高い温度域の比熱変化帯Ｃ２の許容受熱量が多いので、冷却水の温度が２番目に高い温度域の比熱変化帯Ｃ２で制御できる時間を長く稼ぐことができ、冷却水の温度を２番目に高い温度域の比熱変化帯を利用して制御し易くなる。したがって、３つの温度域で比熱変化帯Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３を有する冷却水を使用して、内燃機関１のオーバーヒートを抑制することができる。

＜その他＞
本発明に係る内燃機関の冷却装置は、上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えてもよい。最も高い温度域の比熱変
化帯Ｃ３は、内燃機関１がオーバーヒートする温度よりも低い温度域に可及的に高温域に設けても良い。

本発明は、所定の複数の温度域（温度又は温度範囲をまとめて温度域と表現する）（上記の記載において比熱変化帯と称している）において比熱が前記所定の温度域以外の温度における比熱よりも大きい値をとる冷却水（熱媒体）を使用する内燃機関の冷却装置において内燃機関のオーバーヒートをより確実に抑制することを課題とし、そのために、前記複数の温度域のうち最も高い温度域は前記内燃機関がオーバーヒートする所定の温度よりも低い温度域であり、前記複数の温度域のうち２番目に高い温度域における冷却水の比熱が前記複数の温度域のうち前記２番目に高い温度域以外の温度域における冷却水の比熱よりも高いことを特徴としている。２番目に高い温度域における比熱が高いので、２番目に高い温度域にある冷却水が当該温度域から逸脱することなく吸熱又は放熱することができる熱量（上記の記載において許容受熱量と称している）が大きい。

前記所定の温度域は、冷却水に含まれる物質に相転移が起こる温度とすることができる。相転移により熱が放出されるか又は熱が吸収されるため、相転移が起こる温度では冷却水の比熱が大きくなる。このため、所定の温度域においては、熱の出入があったとしても冷却水の温度は略一定となる。相転移が起こる温度が異なる複数の種類の物質を冷却水に含むことで、複数の所定の温度域のときに所定の温度域以外のときよりも比熱が大きくなる。

前記内燃機関の冷却装置は、冷却水の流通する冷却水通路に設けられ前記冷却水から熱を奪うラジエータと、前記ラジエータをバイパスするバイパス通路と、閉じたときには前記ラジエータへの冷却水の流通を遮断して前記バイパス通路に冷却水を流通させ、開いたときには少なくとも前記ラジエータに冷却水を流通させるサーモスタットと、を備え、前記複数の温度域のうち最も高い温度域は、前記サーモスタットが開弁する温度よりも低くすることができる。

上記の記載において粒子をカプセル粒子とした場合について詳細に説明する。冷却水は、冷却水のとり得る温度範囲内の所定の温度域で相転移する潜熱蓄熱材を内部に封入したカプセル粒子を含む液体であって、封入された潜熱蓄熱材の相転移温度が異なる複数種類のカプセル粒子が混入されており、冷却水に含まれる複数種類の潜熱蓄熱材の相転移温度のうち最も高い相転移温度が前記内燃機関がオーバーヒートする所定の温度よりも低い温度であり、冷却水に含まれる、相転移温度が２番目に高い潜熱蓄熱材の潜熱の総量が、冷却水に含まれる、他のどの相転移温度の潜熱蓄熱材の潜熱の総量よりも大きい。冷却水に含まれる、ある潜熱蓄熱材の潜熱の総量は、冷却水に含まれる当該潜熱蓄熱材の全ての潜熱の合計である。例えば、相転移温度が２番目に高い潜熱蓄熱材を封入するカプセルの粒子数を他のカプセルの粒子数より多くする。カプセル粒子に封入された潜熱蓄熱材の相転移温度又は相転移が開始する温度及び相転移が終了する温度により定まる温度域では、冷却水に対する熱授受は潜熱蓄熱材の相転移のために費やされるため、冷却水の温度は略一定となる。すなわち、この温度域では冷却水のみかけの比熱が他の温度域における比熱よりも大きい。この温度域が比熱変化帯である。
また、複数種類の潜熱蓄熱材の相転移温度のうち最も高い相転移温度は内燃機関のサーモスタットが開弁する温度よりも低い温度とすると良い。

図３では、冷却水は、所定の３つの温度域Ｃ１，Ｃ２、Ｃ３（上記の記載において比熱変化帯と称している）における比熱が当該温度域Ｃ１，Ｃ２、Ｃ３以外における比熱よりも大きくなる冷却水である。つまり、この冷却水は、相転移温度又は相転移の開始温度から終了温度までの温度範囲が温度域Ｃ１である所定の物質（潜熱蓄熱材）を封入したカプセル粒子と、相転移温度又は相転移の開始温度から終了温度までの温度範囲が温度域Ｃ２
である所定の物質（潜熱蓄熱材）を封入したカプセル粒子と、相転移温度又は相転移の開始温度から終了温度までの温度範囲が温度域Ｃ３である所定の物質（潜熱蓄熱材）と、を含み、温度域Ｃ１，Ｃ２、Ｃ３においては、冷却水に出入りする熱がこれらの潜熱蓄熱材の相転移（固相と液相、液相と気相、固相と気相など）のために費やされるため、冷却水の温度がこれらの温度域で略一定になり、冷却水の比熱が温度域Ｃ１，Ｃ２、Ｃ３以外における比熱よりも見かけ上大きな値をとる多段可変比熱冷却水である。なお、冷却水は、相転移温度が異なる４種類以上の潜熱蓄熱材をカプセルに封入して冷却水に含ませる（混入させる）ことにより、４つ以上の所定温度域における比熱が当該所定温度域以外における比熱よりも大きな値になる冷却水であっても良い。
なお、一般に物質の比熱には温度依存性があり、温度変化に伴って比熱が変化する場合があるが、上述した所定温度域における比熱が所定温度域以外の温度における比熱より大きな値になるという比熱の温度変化は、冷却水に含ませた潜熱蓄熱材の相転移によるものであって、含有している物質の相転移によるものではない一般的な比熱の温度変化とは異なるものである。

また、図３に示すように本実施例では、冷却水の溶媒の比熱は、従来技術の冷却水の比熱よりも小さくしている。このように、温度と比熱との関係が、所定温度域以外では従来の冷却水よりも比熱が小さく、所定温度域では従来の冷却水よりも比熱が高くなることで、冷却水の温度が所定温度域以外の温度であるときは熱の出入りに対し冷却水の温度が速やかに変化する一方、冷却水の温度が所定温度域の温度であるときは熱の出入りに対し冷却水の温度変化が緩慢になる。そのため、暖機時に冷却水の温度が所定温度域以外の温度となるようにすることで冷却水の温度が速やかに上昇して燃費の向上が可能であるとともに、所定温度域では大きな熱授受があっても冷却水の温度を維持することが可能になるのでオーバーヒート耐性の向上や温度制御性の向上が可能である。

また、図３に示すように本実施例では、冷却水は、３つの所定温度域Ｃ１，Ｃ２、Ｃ３のうち、２番目に高い温度域Ｃ２における比熱が、所定温度域Ｃ１、Ｃ３における比熱よりも大きい。言い換えると、所定温度域Ｃ１，Ｃ２、Ｃ３以外の温度域における比熱に対する所定温度域Ｃ２における比熱の差分（比熱変化量、比熱変化幅）は、所定温度域Ｃ１，Ｃ２、Ｃ３以外の温度域における比熱に対する所定温度域Ｃ１、Ｃ３における比熱の差分よりも大きい。このために、本実施例では、所定温度域Ｃ２に相転移温度がある潜熱蓄熱材を封入するカプセル粒子Ｐ２の量を、所定温度域Ｃ１に相転移温度がある潜熱蓄熱材を封入するカプセル粒子Ｐ１の量や所定温度域Ｃ３に相転移温度がある潜熱蓄熱材を封入するカプセル粒子Ｐ３の量よりも多くしている。

１ 内燃機関
２ 冷却水通路
２ａ〜２ｇ 通路
３ ラジエータ
４ オイルクーラ
５ａ スロットル弁
５ｂ ＥＧＲ弁
６ リザーバタンク
７ ヒータコア
８ クーラ
９ 電子サーモスタット
１０ ウォータポンプ
１１ 水温センサ
１２ ＥＣＵ
Ｃ１，Ｃ２、Ｃ３ 比熱変化帯
Ｐ１，Ｐ２、Ｐ３ 粒子

Claims (3)

1. 複数の温度域で比熱が変化している状態の比熱変化帯を有する冷却水を使用する内燃機関の冷却装置であって、
   最も高い温度域の比熱変化帯は、前記内燃機関がオーバーヒートする温度よりも低い温度域に設けられ、
   ２番目に高い温度域の比熱変化帯における比熱の変化で許容可能な許容受熱量を、他の比熱変化帯における許容受熱量よりも多くすることを特徴とする内燃機関の冷却装置。
2. 前記最も高い温度域の比熱変化帯は、前記内燃機関のサーモスタットが開弁する温度よりも低い温度域に設けられることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の冷却装置。
3. 前記冷却水は、相変化することにより媒体の比熱を変更する多種類の粒子を含むことで、複数の温度域で比熱変化帯を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の冷却装置。
   

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