WO2012120585A1 - エンジンの暖機構造 - Google Patents

Abstract

　エンジンの暖機構造１Ａは、クランクシャフト５４と、クランクシャフト５４の延伸方向に沿って配置され、クランクシャフト５４を軸支する複数の軸受部Ｐ１からＰ５が設けられているクランクケース５５Ａと、を備えるエンジン５０Ａに適用される。エンジンの暖機構造１Ａは、クランクケース５５Ａに設けられ、蒸気を導入する蒸気導入部２Ａと、複数の軸受部Ｐ１からＰ５のうち、両端に配置される軸受部Ｐ１、Ｐ５に設けられ、蒸気導入部２Ａから導入された蒸気を流通させる蒸気通路部３Ａと、を備える。

Description

エンジンの暖機構造

　本発明はエンジンの暖機構造に関する。

　蒸気を導入し、エンジンの暖機を局所的に促進する技術が知られている（例えば特許文献１、２参照）。このほか、暖機を局所的に促進する技術に類似すると考えられる技術として、吸気に還流されるブローバイガスを加熱する技術が例えば特許文献３で開示されている。

特開２００５－１７１７７３号公報 特開２００８－２５５９４４号公報 特開２００６－１９４１０５号公報

　エンジンの暖機を局所的に促進するにあたっては、クランクシャフトを軸支する複数の軸受部の暖機を促進することが考えられる。この場合、機関冷間時にエンジンのフリクショントルクを減少させることで、燃費低減を図ることができる。

　複数の軸受部の暖機を促進するには、例えばクランクシャフトの延伸方向に沿って一端側から他端側に向かって蒸気を流通させることが考えられる。ところがこの場合には、複数の軸受部それぞれに対して順次熱を供給することになる。このため、熱の供給が遅れて行われる軸受部ほど暖機が遅れる結果、暖機に時間を要することになる。

　また、複数の軸受部のうち、両端に配置される軸受部それぞれは外気の影響を受け易くなっている。このため、これらの軸受部は中間に配置される軸受部と比較して暖機に時間を要することになる。そして、他の軸受部と比較して暖機に時間を要する軸受部がある場合、フリクショントルクの低減効果は暖機に時間を要する軸受部によって制限されることになる。

　本発明は上記課題に鑑み、クランクシャフトを軸支する複数の軸受部の暖機に要する時間を短縮可能なエンジンの暖機構造を提供することを目的とする。

　本発明はクランクシャフトと、前記クランクシャフトの延伸方向に沿って配置され、前記クランクシャフトを軸支する複数の軸受部が設けられている本体部と、を備えるエンジンに適用され、前記本体部に設けられ、蒸気を導入する蒸気導入部と、前記複数の軸受部のうち、両端に配置された軸受部に設けられ、前記蒸気導入部から導入された蒸気を流通させる蒸気通路部と、を備えるエンジンの暖機構造である。

　本発明は前記本体部が前記クランクシャフトの延伸方向に沿って設けられた２つの側壁部を備えており、前記蒸気導入部が、前記２つの側壁部のうち、一方の側壁部に設けられるとともに、前記一方の側壁部のうち、前記クランクシャフトの延伸方向において中央の部分に設けられており、前記蒸気通路部が、前記一方の側壁部から前記複数の軸受部のうち、両端に配置された軸受部にかけて設けられるとともに、前記一方の側壁部において、前記蒸気導入部から前記複数の軸受部のうち、両端に配置された軸受部に分岐するように設けられている構成とすることができる。

　本発明は前記本体部が前記クランクシャフトの延伸方向に沿って設けられた２つの側壁部を備えており、前記蒸気導入部が、前記２つの側壁部のうち、一方の側壁部に設けられるとともに、前記一方の側壁部のうち、前記クランクシャフトの延伸方向において中央の部分に設けられており、前記蒸気通路部が、前記一方の側壁部から前記複数の軸受部それぞれにかけて設けられるとともに、前記一方の側壁部において、前記蒸気導入部から前記複数の軸受部それぞれに対して分岐するように設けられている構成とすることができる。

　本発明によれば、クランクシャフトを軸支する複数の軸受部の暖機に要する時間を短縮できる。

暖機装置の概略構成図である。 実施例１のエンジンの概略構成図である。 実施例１のエンジンの暖機構造を蒸気の流通態様によって模式的に示す図である。 蒸気の性質を説明する図である。 従来のエンジンの暖機構造の一例を蒸気の流通態様によって図である。 実施例２のエンジンの概略構成図である。 実施例２のエンジンの暖機構造を蒸気の流通態様によって模式的に示す図である。 複数の軸受部の平均温度と蒸気導入開始後の経過時間との関係の一例を示す図である。 従来の暖機構造に対する暖機完了時間の低減率と、蒸気が凝縮する際の熱伝達率との関係の一例を示す図である。 複数の軸受部の平均温度と蒸気が凝縮する際の熱伝達率との関係の一例を示す図である。

　図面を用いて、本発明の実施例について説明する。

　図１は暖機装置３０の概略構成図である。図２はエンジンの暖機構造（以下、暖機構造と称す）１Ａが適用されているエンジン５０Ａの概略構成図である。図３は暖機構造１Ａを蒸気の流通態様によって模式的に示す図である。図１はエンジン５０Ａとともに暖機装置３０の概略構成を示している。図２はエンジン５０Ａを気筒配列方向に沿った断面で示している。図３はクランクケース５５Ａとともに蒸気の流通態様を矢印で模式的に示している。

　図１に示すように、暖機装置３０は排気熱回収器３１と供給配管３２と戻り配管３３とを備えている。暖機装置３０には、熱の輸送に用いられる媒体（例えばＨ_２Ｏ）が封入されている。排気熱回収器３１は熱交換器であり、エンジン５０Ａの排気管６０に設けられている。排気熱回収器３１は気室Ｒ１と液室Ｒ２とに内部を区分するウィック部３１ａを備えている。気室Ｒ１は供給配管３２側に配置されており、液室Ｒ２は戻り配管３３側に配置されている。

　ウィック部３１ａは多孔質の構造体であり、毛細管現象によって液相状態にある媒体を液室Ｒ２から取り込み、保持する。この点、暖機装置３０内は液室Ｒ２の媒体が使用環境下で液相状態になるように減圧されている。ウィック部３１に保持された媒体は排気の熱によって蒸発し、蒸気となって気室Ｒ１に流入する。排気熱回収器３１は、このようにして排気と媒体との間で熱交換を行うことで、排気から熱を回収するとともに、回収した熱で蒸気を発生させる。

　供給配管３２は排気熱回収器３１からエンジン５０Ａに蒸気を供給する。供給された蒸気はエンジン５０Ａで熱を放出するとともに凝縮する。そして、凝縮した媒体は戻り配管３３を介して排気熱回収器３１に戻る。暖機装置３０は熱の授受によって液相および気液混合相の間で媒体を相変化させることで、媒体を循環させるループ型の暖機装置となっている。

　図２に示すように、エンジン５０Ａはシリンダブロック５１と、ピストン５２と、コネクティングロッド５３と、クランクシャフト５４と、クランクケース５５Ａとを備えている。シリンダブロック５１には、複数（ここでは４つ）のシリンダ５１ａが設けられている。シリンダ５１ａそれぞれには、ピストン５２が収容されている。ピストン５２それぞれはコネクティングロッド５３を介してクランクシャフト５４に連結されている。ピストン５２それぞれの往復運動はクランクシャフト５４で回転運動に変換される。

　クランクケース５５Ａはシリンダブロック５１に設けられている。クランクケース５５Ａには、クランクシャフト５４を軸支する複数の軸受部Ｐ１からＰ５が設けられている。軸受部Ｐ１、Ｐ５は両端に配置されている。軸受部Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４は気筒間に配置されている。軸受部Ｐ１からＰ５はこの順に一端側から他端側に向かってクランクシャフト５５Ａの延伸方向に沿って配置されている。クランクケース５５Ａは本体部に相当する。

　図１から図３に示すように、エンジン５０Ａには蒸気導入部２Ａと蒸気通路部３Ａとが設けられている。蒸気導入部２Ａは蒸気を導入する。蒸気導入部２Ａには供給配管３２が接続され、排気熱回収器３１から蒸気が供給される。蒸気通路部３Ａは蒸気導入部２Ａから導入された蒸気を流通させる。蒸気通路部３Ａを流通した蒸気は、戻り配管３３を介して排気熱回収器３１に戻るようになっている。

　蒸気導入部２Ａおよび蒸気通路部３Ａは具体的にはクランクケース５５Ａに設けられている。この点、クランクケース５５Ａはクランクシャフト５４の延伸方向に沿って設けられている２つの側壁部Ｗ１、Ｗ２を備えている。そして、蒸気導入部２Ａは側壁部Ｗ１、Ｗ２のうち、一方の側壁部Ｗ１に設けられるとともに、側壁部Ｗ１のうち、クランクシャフト５４の延伸方向において中央の部分に設けられている。側壁部Ｗ１は具体的には吸気側に位置する側壁部となっており、側壁部Ｗ２は排気側に位置する側壁部となっている。

　蒸気通路部３Ａは、クランクケース５５Ａにおいて側壁部Ｗ１、軸受部Ｐ１、Ｐ５および側壁部Ｗ２にかけて設けられている。なお、図３ではクランクシャフト５４については図示省略している。側壁部Ｗ１において、蒸気通路部３Ａは蒸気導入部２Ａから軸受部Ｐ１、Ｐ５に分岐するように設けられている。軸受部Ｐ１、Ｐ５それぞれにおいて、蒸気通路部３Ａは側壁部Ｗ１に設けられた部分から側壁部Ｗ２に向かって延伸するように設けられている。

　側壁部Ｗ２において、蒸気通路部３Ａは軸受部Ｐ１、Ｐ５のうち、一方の軸受部（ここでは軸受部Ｐ５）に設けられた部分から他方の軸受部（ここでは軸受部Ｐ１）側に向かって延伸するように設けられている。そしてこれにより、軸受部Ｐ１に設けられた部分と合流するとともに、その後、クランクケース５５Ａの外部と連通するように設けられている。

　エンジン５０Ａには、蒸気導入部２Ａと蒸気通路部３Ａとを備える暖機構造１Ａが適用されている。また、暖機構造１Ａは暖機装置３０に凝縮部として組み込まれている。

　次に暖機構造１Ａの作用効果について説明する。ここで、複数の軸受部Ｐ１からＰ５のうち、両端に配置されている軸受部Ｐ１、Ｐ５は、中間に配置されている軸受部Ｐ２からＰ４と比較して外気の影響を受け易くなっている。このため、軸受部Ｐ２からＰ４と比較して暖機に時間を要することになる。これに対し、暖機構造１Ａは軸受部Ｐ１、Ｐ５に蒸気通路部３Ａを設けている。このため、軸受部Ｐ１、Ｐ５の暖機を促進できる。結果、複数の複数の軸受部Ｐ１からＰ５の暖機に要する時間を短縮できる。

　暖機構造１Ａは、次に示すように複数の軸受部Ｐ１からＰ５の暖機に要する時間をさらに短縮できる。図４は蒸気の性質を説明する図である。図５は暖機構造１Ｘを蒸気の流通態様によって示す図である。図５に示す暖機構造１Ｘは従来の暖機構造の一例であり、側壁部Ｗ１でクランクシャフト５４の延伸方向に沿って、クランクシャフト５４の一端側から他端側に向かって蒸気を流通させる構造になっている。クランクケース５５Ｘは暖機構造１Ａの代わりに暖機構造１Ｘが設けられている点以外、クランクケース５５Ａと実質的に同一である。

　図４に示すように、蒸気は蒸気の凝縮が発生しなくなるまで凝縮面が暖機されないと、その先に進み難い性質を有している。これは気体の密度が液体の密度よりも大幅に小さい（例えば１／１０００程度）ことに起因している。このため、図５に示す暖機構造１Ｘでは、手前に位置する軸受部に対する暖機が進み、これにより蒸気の凝縮が発生しなくなるまでの間、次の軸受部の暖機が促進され難くなる。結果、熱の供給が遅れて行われる軸受部ほど、暖機が遅れることになる。

　これに対し、暖機構造１Ａは側壁部Ｗ１に蒸気導入部２Ａを設けるとともに、側壁部Ｗ１のうち、クランクシャフト５４の延伸方向において中央の部分に蒸気導入部２Ａを設けている。また、側壁部Ｗ１から軸受部Ｐ１、Ｐ５にかけて蒸気通路部３Ａを設けるとともに、側壁部Ｗ１において、蒸気導入部２Ａから軸受部Ｐ１、Ｐ２に分岐するように蒸気通路部３Ａを設けている。

　このため暖機構造１Ａはまず蒸気通路部３Ａのうち、側壁部Ｗ１に設けられた部分で中間に配置された軸受部Ｐ２からＰ４の暖機を蒸気の凝縮が発生しなくなるまでの間、優先的に促進できる。また、その後軸受部Ｐ１、Ｐ５に設けられた部分で両端に配置された軸受部Ｐ１、Ｐ５の暖機も本格的に促進できる。すなわち、暖機構造１Ａは中間に配置された軸受部Ｐ２からＰ４の暖機を優先的に促進するとともに、両端に配置された軸受部Ｐ１、Ｐ５の暖機も促進することができる。

　この点、中間に配置された軸受部Ｐ２からＰ４は両端に配置された軸受部Ｐ１、Ｐ５と比較して放熱し難くなっている。このため、暖機構造１Ａは中間に配置された軸受部Ｐ２からＰ４の暖機を優先的に促進することで、例えば複数の軸受部Ｐ１からＰ５の暖機を促進するにあたり、軸受部Ｐ１、Ｐ５の暖機を優先的に促進する場合と比較して、クランクシャフト５４に作用する平均フリクションを早期に減少させることもできる。

　暖機構造１Ａは、熱の授受によって液相および気液混合相の間で媒体を相変化させることで、媒体を循環させるループ型の暖機装置（ここでは暖機装置３０）に凝縮部として組み込まれている場合に、上述のようにして複数の軸受部Ｐ１からＰ５の暖機に要する時間を短縮するにあたり、上述した蒸気の性質に照らして蒸気を合理的に流通させることができる。このため、暖機構造１Ａはかかる暖機装置に凝縮部として組み込まれていることが好適である。これは、以下の実施例における暖機構造１Ｂについても同様である。

　図６はエンジン５０Ｂの断面図である。図７は暖機構造１Ｂを蒸気の流通態様によって模式的に示す図である。エンジン５０Ｂは暖機構造１Ａの代わりに暖機構造１Ｂが適用されている点と、これに伴いクランクケース５５Ａの代わりにクランクケース５５Ｂを備えている点以外、エンジン５０Ａと実質的に同一である。暖機構造１Ｂは、蒸気通路部３Ａの代わりに蒸気通路部３Ｂを備える点以外、暖機構造１Ａと実質的に同一である。なお、図示省略するが、本実施例では暖機構造１Ａの代わりに暖機構造１Ｂを凝縮部として組み込む暖機装置が暖機装置３０の代わりに構築されている。

　蒸気通路部３Ｂはクランクケース５５Ｂに設けられている。蒸気通路部３Ｂは、クランクケース５５Ｂにおいて側壁部Ｗ１、軸受部Ｐ１からＰ５それぞれ、および側壁部Ｗ２にかけて設けられている。側壁部Ｗ１において、蒸気通路部３Ｂは蒸気導入部２Ａから軸受部Ｐ１からＰ５それぞれに対して分岐するように設けられている。

　側壁部Ｗ１において、蒸気通路部３Ｂは具体的にはまず軸受部Ｐ１、Ｐ５に向かって分岐するとともに、軸受部Ｐ３に対して分岐するように設けられている。そして、軸受部Ｐ１、Ｐ５に向かって分岐し、延伸している途中でさらに軸受部Ｐ２、Ｐ４に対して分岐することで、同時に軸受部Ｐ１、Ｐ２に対して分岐するように設けられている。

　軸受部Ｐ１からＰ５それぞれにおいて、蒸気通路部３Ｂは側壁部Ｗ１に設けられた部分から側壁部Ｗ２に向かって延伸するように設けられている。側壁部Ｗ２において、蒸気通路部３Ｂは軸受部Ｐ１、Ｐ５のうち、一方の軸受部（ここでは軸受部Ｐ５）に設けられた部分から他方の軸受部（ここでは軸受部Ｐ１）側に向かって延伸するように設けられている。そしてこれにより、軸受部Ｐ１からＰ４に設けられた部分それぞれと合流するとともに、その後、クランクケース５５Ｂの外部と連通するように設けられている。

　次に暖機構造１Ｂの作用効果について説明する。暖機構造１Ｂは、側壁部Ｗ１に蒸気導入部２Ａを設けるとともに、側壁部Ｗ１のうち、クランクシャフト５４の延伸方向において中央の部分に蒸気導入部２Ａを設けている。また、側壁部Ｗ１から、複数の軸受部Ｐ１からＰ５それぞれにかけて蒸気通路部３Ｂを設けるとともに、側壁部Ｗ１において蒸気導入部２Ａから、複数の軸受部Ｐ１からＰ５それぞれに分岐するように蒸気通路部３Ｂを設けている。このため、暖機構造１Ｂは次に示すように複数の軸受部Ｐ１からＰ５の暖機を同時進行的に促進することができる。

　図８は複数の軸受部Ｐ１からＰ５の平均温度と、蒸気導入開始後の経過時間との関係の一例を示す図である。縦軸は平均温度、横軸は経過時間を示す。図８では、平均温度と経過時間との関係を暖機構造１Ｘ、１Ａ、１Ｂの場合それぞれについて示している。導入する蒸気の温度は例えば９５℃である。

　図８に示すように、暖機構造１Ｂの場合は暖機構造１Ａ、１Ｘの場合と比較して、より短い時間で平均温度を高めることができることがわかる。また、暖機構造１Ｂの場合には、両端に配置された軸受部Ｐ１、Ｐ５の暖機が途中から本格的に開始されることで、曲線が大きく不連続になっている部分が見られるが、暖機構造１Ｂの場合には、そのような部分が特に見られないことがわかる。

　これは、暖機構造１Ｂは構造上、早い段階から複数の軸受部Ｐ１からＰ５に並列的に蒸気を流通させることができるためである。このため、暖機構造１Ｂは複数の軸受部Ｐ１からＰ５の暖機を同時進行的に促進することができる。結果、暖機構造１Ａと比較して複数の軸受部Ｐ１からＰ５の暖機に要する時間をさらに短縮できる。

　暖機構造１Ｂは、蒸気が凝縮する際の熱伝達率に対するロバスト性が高い点でも好適である。図９は暖機構造１Ｘに対する暖機完了時間の低減率と、蒸気が凝縮する際の熱伝達率との関係の一例を示す図である。縦軸は暖機完了時間低減率、横軸は熱伝達率を示す。図９では、暖機完了時間低減率と熱伝達率との関係を暖機構造１Ａ、１Ｂの場合について示す。図９に示すように、暖機構造１Ｂは、熱伝達率の大小に関わらず暖機構造１Ｘよりも暖機を早期に完了させることができることがわかる。

　図１０は複数の軸受部Ｐ１からＰ５の平均温度と、蒸気が凝縮する際の熱伝達率との関係の一例を示す図である。図１０で縦軸は平均温度、横軸は熱伝達率を示す。図１０では、平均温度と熱伝達率との関係を暖機構造１Ｘ、１Ａ、１Ｂの場合について示す。図１０に示すように、暖機構造１Ｂは熱伝達率の大小に関わらず暖機構造１Ｘよりも平均温度が高くなっていることがわかる。

　なお、図９、図１０から暖機構造１Ａについても同様に熱伝達率に対するロバスト性が高いことがわかる。また、図９から暖機構造１Ｂの場合には暖機構造１Ａの場合よりも全般的に暖機完了時間低減率が高くなっていることや、図１０から暖機構造１Ｂの場合には暖機構造１Ａの場合よりも全般的に平均温度が高くなっていることもわかる。

　以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

　例えば本体部はシリンダブロックであってもよい。また、本体部はクランクケースおよびシリンダブロックのうち、少なくとも一方であってもよい。この場合、クランクケースに設けられている軸受部と、シリンダブロックに設けられている軸受部とが組み合わされて、クランクシャフトの延伸方向に沿って配置された複数の軸受部を構成してもよい。

　　暖機構造　　　　　　　　１Ａ、１Ｂ、１Ｘ
　　蒸気導入部　　　　　　　２Ａ
　　蒸気通路部　　　　　　　３Ａ、３Ｂ
　　エンジン　　　　　　　　５０Ａ、５０Ｂ
　　クランクシャフト　　　　５４
　　クランクケース　　　　　５５Ａ、５５Ｂ、５５Ｘ

Claims (3)

1. クランクシャフトと、前記クランクシャフトの延伸方向に沿って配置され、前記クランクシャフトを軸支する複数の軸受部が設けられている本体部と、を備えるエンジンに適用され、
   　前記本体部に設けられ、蒸気を導入する蒸気導入部と、
   　前記複数の軸受部のうち、両端に配置された軸受部に設けられ、前記蒸気導入部から導入された蒸気を流通させる蒸気通路部と、を備えるエンジンの暖機構造。
2. 請求項１記載のエンジンの暖機構造であって、
   　前記本体部が前記クランクシャフトの延伸方向に沿って設けられた２つの側壁部を備えており、
   　前記蒸気導入部が、前記２つの側壁部のうち、一方の側壁部に設けられるとともに、前記一方の側壁部のうち、前記クランクシャフトの延伸方向において中央の部分に設けられており、
   　前記蒸気通路部が、前記一方の側壁部から前記複数の軸受部のうち、両端に配置された軸受部にかけて設けられるとともに、前記一方の側壁部において、前記蒸気導入部から前記複数の軸受部のうち、両端に配置された軸受部に分岐するように設けられているエンジンの暖機構造。
3. 請求項１記載のエンジンの暖機構造であって、
   　前記本体部が前記クランクシャフトの延伸方向に沿って設けられた２つの側壁部を備えており、
   　前記蒸気導入部が、前記２つの側壁部のうち、一方の側壁部に設けられるとともに、前記一方の側壁部のうち、前記クランクシャフトの延伸方向において中央の部分に設けられており、
   　前記蒸気通路部が、前記一方の側壁部から前記複数の軸受部それぞれにかけて設けられるとともに、前記一方の側壁部において、前記蒸気導入部から前記複数の軸受部それぞれに対して分岐するように設けられているエンジンの暖機構造。

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