JP2007211620A - 潜熱蓄熱装置及びエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】冷間時のエンジン始動に際し、より早期にエンジンを昇温させて暖機促進を図り、エンジンの高回転、高負荷時の良好な冷却性能を有する潜熱蓄熱装置を提供することを課題とする。
【解決手段】潜熱蓄熱装置（１）は、エンジン（２）のシリンダブロック（３）には、シリンダボア壁（４）とシリンダブロック外壁（５）との間にウォータージャケット（６）が形成されている。このウォータージャケット（６）内には、シリンダボア壁（４）に密着させて収容した潜熱蓄熱剤（７）が収容されている。また、ウォータージャケット（６）内には、冷却水容器（８）が収容されている。この冷却水容器（８）の内部が冷却水通路となる。冷却水通路は、シリンダボア壁（４）に密着させて収容した潜熱蓄熱剤（７）とシリンダブロック外壁（５）との間（Ｉ）、及び、潜熱蓄熱剤（７）とウォータージャケット上縁（６ａ）との間（ＩＩ）に形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンを効果的に暖機することができる潜熱蓄熱装置に関する。

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、潜熱型蓄熱材（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）。このような急速暖機装置は、エンジンの冷間始動時に、過冷却状態となっている蓄熱剤に対して電圧印加し、これにより相変化を開始させて潜熱を発生させるように構成されている。

特許文献１記載の急速暖機装置ではシリンダの周囲に設けられた蓄熱材収容室よりもシリンダヘッド寄りに冷却水が流通するウォータージャケットが設けられている。

特開平１１−１８２３９３号公報

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では、ウォータージャケットはシリンダの周囲に設けられた蓄熱材収容室よりもシリンダヘッド寄りに設けられているのみであるので、シリンダブロックの下部が熱による損傷を受けるおそれがある。

これに対し、特許文献１記載のエンジンの急速暖機装置では、蓄熱材の吸熱作用によってシリンダブロック側を冷却することが記載されている。しかし、エンジンの高負荷高回転時に蓄熱材が高温に曝されることにより、蓄熱材自体が熱劣化を起こしてしまい、本来の反応を起こすことができない状態となってしまうおそれがある。

そこで、本発明は、潜熱蓄熱剤による熱を利用し、効率よくシリンダボア壁を加温して早期暖機完了を図ると共に、エンジンの高負荷高回転時であってもシリンダブロック及び潜熱蓄熱剤を熱害から保護することのできる潜熱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、本発明の潜熱蓄熱装置は、シリンダボア壁とシリンダブロック外壁との間に形成されたウォータージャケット内に、前記シリンダボア壁に密着させて収容した潜熱蓄熱剤と、当該潜熱蓄熱剤と前記シリンダブロック外壁との間、及び、前記潜熱蓄熱剤と前記ウォータージャケット上縁との間に設けた冷却水通路と、前記潜熱蓄熱剤の発核手段と、を備えたことを特徴とする（請求項１）。潜熱蓄熱剤をシリンダボア壁に密着させることにより潜熱蓄熱剤の潜熱を効率よくシリンダボア壁へ伝熱することができる。また、本発明のように冷却水通路を配置することにより、高温の熱源となる燃焼室に近い部分を冷却水によって冷却することができる。また、潜熱蓄熱剤の周囲にも冷却水が流通することになるのでエンジンが高回転、高負荷となり、熱的に厳しい条件となっても、潜熱蓄熱剤が熱劣化することを回避することができる。潜熱蓄熱剤としては、過冷却状態となることができ、所定の発核条件、すなわち、過冷却状態からの相変化を開始する条件が整うことにより発熱を伴った相変化を起こすことができるもの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水和物を採用することができる。

なお、本発明では、ウォータージャケット内に潜熱蓄熱剤を収容すると共に冷却水通路を配置するようにしている。これは、通常、シリンダの周囲にはウォータージャケットが形成されていることからこれを利用する意図である。ただし、ウォータージャケットととすることを意図していない空間であっても、シリンダボア壁を観念でき、潜熱蓄熱剤を収容すると共に冷却水通路を配置できる形状のものは、本発明の範囲とする。

本発明は潜熱蓄熱剤と冷却水通路とが上記のような位置関係となることに特徴がある。換言すれば、シリンダボア壁とシリンダブロック外壁との間に形成されたウォータージャケットと、当該ウォータージャケット内において、前記シリンダボア壁に隣接し、前記ウォータージャケットの底部から所定高さまでの空間を占める潜熱蓄熱剤収容部と、当該潜熱蓄熱剤収容部に収容される潜熱蓄熱剤と、前記ウォータージャケット内に形成された冷却水通路と、前記潜熱蓄熱剤の発核手段と、を備えたことを特徴とする。

このような潜熱蓄熱装置では、前記潜熱蓄熱剤は、容器に収容して前記ウォータージャケット内に収容された構成とすることができる（請求項２）。また、前記冷却水通路を、冷却水入口及び冷却水出口を備えた冷却水容器によって形成し、当該冷却水容器を前記ウォータージャケット内に収容した構成とすることもできる（請求項３）。要は、潜熱蓄熱剤と冷却水とを分離した状態でウォータージャケット内に収容することができればよい。従って、潜熱蓄熱剤か冷却水のいずれかを容器に収容すればよい。ただし、潜熱蓄熱剤を容器に封入することなくシリンダボア壁に密着させてウォータージャケット内に収容すれば、潜熱をより効率的にシリンダボア壁へ伝熱することができる。シリンダボア壁と冷却水容器とによって前記潜熱蓄熱剤収容部を形成し、この潜熱蓄熱剤収容部に潜熱蓄熱剤を封入するようにすれば、容器を用いることなく潜熱蓄熱剤をウォータージャケット内に収容することができる。

上記のように、本発明の潜熱蓄熱装置では、冷却水通路を冷却水容器によって形成する構成とすることができる。このように冷却水容器を用いた構成とする場合、前記冷却水容器は、上部を前記シリンダボア壁へ密着させる密着手段を備えた構成とすることができる（請求項４）。前記密着手段は、シリンダボア壁に沿って配列した複数の前記冷却水容器を接続し、前記シリンダボア壁側へ引き寄せるスプリングとすることができる（請求項５）。特に、シリンダボア壁の上縁部は冷却水容器が直に接触することになるので当該箇所の密着性を向上させることができる。このような構成とすることによりシリンダボア壁の冷却を促進することができる。また、スプリングを装着することにより冷却水容器のシリンダボア壁へ脱着が容易となる。なお、複数の冷却水容器は、シリンダボア壁を囲むような形状の容器をシリンダのピストン往復方向に沿って分断した形態とすることができる。

本発明の他の潜熱蓄熱装置は、シリンダボア壁とシリンダブロック外壁との間に形成されたウォータージャケット内に封入した潜熱蓄熱剤と、前記ウォータージャケットの底部から上縁部に渡り前記シリンダボア壁の周囲に巻回され、冷却水が流通するパイプ状の冷却水通路と、前記潜熱蓄熱剤の発核手段と、を備えたことを特徴とする（請求項６）。この潜熱熱蓄熱装置は、ウォータージャケット又はシリンダブロックに形成されたウォータージャケットと同等の空間内に潜熱蓄熱剤を直接封入している。さらに、パイプ状の冷却水通路を潜熱蓄熱剤の中へ浸漬する。このような構成とすることにより、冷間始動時には潜熱蓄熱剤の潜熱による早期暖機を実現できる。また、エンジンの高負荷、高回転時等、熱的に厳しい条件となっても、エンジンの冷却性能を維持することができ、さらに、潜熱蓄熱剤の熱劣化を回避することができる。

このように、パイプ状の冷却水通路を採用した場合、この冷却水通路のシリンダボア壁への巻回密度は、前記ウォータージャケットの底部側を低密度とし、上縁部側を高密度とした構成とすることが望ましい（請求項７）。このような構成とするのは、高温の熱源となる燃焼室に近い部分をより効果的に冷却する趣旨である。

以上説明したような潜熱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８）。

本発明によれば、シリンダボア壁とシリンダブロック外壁との間に形成されたウォータージャケット内に、前記シリンダボア壁に密着させて収容した潜熱蓄熱剤と、当該潜熱蓄熱剤と前記シリンダブロック外壁との間、及び、前記潜熱蓄熱剤と前記ウォータージャケット上縁との間に設けた冷却水通路とを備えているので冷間始動時の潜熱蓄熱剤の潜熱による早期暖機、エンジンの高負荷、高回転時等、熱的に厳しい条件下でのエンジンの冷却性能の維持、さらに、潜熱蓄熱剤の熱劣化を回避することができる。

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は、本発明の潜熱蓄熱装置１を装着したエンジン２のシリンダヘッドを取り外した状態の平面図である。また、図２は、図１におけるＡ−Ａ線で断面とし、一部を省略した拡大断面図である。エンジン２のシリンダブロック３には、シリンダボア壁４とシリンダブロック外壁５との間にウォータージャケット６が形成されている。このウォータージャケット６内には、シリンダボア壁４に密着させて収容した潜熱蓄熱剤７が収容されている。また、ウォータージャケット６内には、冷却水容器８が収容されている。この冷却水容器８は冷却水入口８ａと冷却水出口８ｂとを備えている。この冷却水容器８の内部が冷却水通路となる。冷却水容器８は、図２に示したような断面形状をしており、シリンダボア壁４に密着させて収容した潜熱蓄熱剤７とシリンダブロック外壁５との間Ｉ、及び、潜熱蓄熱剤７とウォータージャケット上縁６ａとの間ＩＩに冷却水通路が形成されている。

冷却水入口８ａと冷却水出口８ｂはそれぞれパイプ状をなしており、ブラケット１２とボルト１３を用いてシリンダブロック外壁５に装着されている。また、冷却水が漏れないようにＯリング１４が装着されている。このように冷却水入口８ａと冷却水出口８ｂが装着されることにより、冷却水は、エンジン右端から冷却水容器８内に供給され、シリンダ周辺を循環し、エンジン左端から排出される。

冷却水容器８が以上のような形状をしていることからシリンダボア壁４と冷却水容器８との間に空間が形成される。この空間に潜熱蓄熱剤７が収容されている。潜熱蓄熱剤７は、容器に封入されることなくウォータージャケット６内に収容されている。シリンダブロック３の上縁には水穴が設けられていないヘッドガスケット９が装着されている。これは、シリンダヘッド側を流通する冷却水とウォータージャケット６内に直接収容された潜熱蓄熱剤７とが混合してしまわないようにするための措置である。

シリンダブロック外壁５には図１に示すように発核装置１０が取り付けられている。この発核装置１０は、本発明における発核手段に相当する。発核装置１０は、先端が潜熱蓄熱剤７内に露出し、潜熱蓄熱剤７内に配置された図示しない発核トリガーを作動させて潜熱蓄熱剤７を発核させる。発核装置１０は、ＥＣＵ１１と接続されており、ＥＣＵ１１からの発核指令により発核動作をする。潜熱蓄熱剤７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。この潜熱をエンジン２の加温、暖機に利用することができる。このような潜熱蓄熱剤７は、エンジン始動前（冷間時）は過冷却状態となっている。図示しないイグニッションのＯＮ信号に基づきＥＣＵ１１が発核装置１０に発核指令を送ると、発核装置１０が作動して潜熱蓄熱剤７が発核する。発核により相変化を起こす潜熱蓄熱剤７は潜熱を放出する。

以上のように構成される潜熱蓄熱装置１の特徴を、図３に示した潜熱蓄熱装置２０と比較しつつ説明する。まず、比較例である潜熱蓄熱装置２０の概略構成について説明する。潜熱蓄熱装置２０は、シリンダボア壁４とシリンダブロック外壁５との間に形成されたウォータージャケット６内に容器２１が収容されている。この容器２１内には潜熱蓄熱剤７が封入されている。容器２１は位置決めステー２２によってシリンダボア壁４と、シリンダブロック外壁５との位置決めがなされている。また、位置決めステー２２により、ボア側隙間と外側隙間が形成されている。また、ウォータージャケット６内には通常のエンジンと同様に冷却水が循環している。

このように構成される潜熱蓄熱装置２０は、ウォータージャケット６内のシリンダボア壁４全域に渡って冷却水が接触できる。このため、冷却水による高い冷却効果を得ることができる。しかし、その一方で、潜熱蓄熱剤７は、容器２１に封入されており、さらに、容器２１とシリンダボア壁４との間には冷却水が介在している。このため、潜熱蓄熱剤７の潜熱が冷却水に奪われてしまうと考えられる。すなわち、潜熱蓄熱剤７によるシリンダボア壁４の加温効果が低下していると考えられる。

これに対し、実施例１の潜熱蓄熱装置１では、潜熱蓄熱剤７は、加温すべきシリンダボア壁４に密着し、しかも、容器も介在していないので高い加温効果を得ることができる。また、エンジン２の高回転、高負荷時の冷却効果に関しては、潜熱蓄熱剤７の周囲、熱的に厳しい条件となるウォータージャケット上縁部６ａ近傍の十分な冷却性能を確保することができている。これにより、潜熱蓄熱剤７の熱劣化を回避することができる。

すなわち、実施例１の潜熱蓄熱装置１は、エンジン２の冷間始動時の良好な加温性能と、エンジン２の高回転、高負荷時の良好な冷却効果を両立させている。

次に、本発明の実施例２について、図４乃至６を参照しつつ説明する。図４は、エンジン３０の右端と左端をシリンダに対するピストンの摺動方向に断面とした拡大断面図である。図５は、図４におけるＢ−Ｂ線で断面とし、一部を省略した状態の断面図である。図６は、図４におけるＣ−Ｃ線で断面とし、一部を省略した断面図である。

実施例２の潜熱蓄熱装置３１が、実施例１の潜熱蓄熱装置１と異なる点は、潜熱蓄熱装置１の冷却水容器８が、一体成形のものをウォータージャケット６内に収容しているのに対し、実施例２の潜熱蓄熱装置３１では、エンジン３０の長手方向に沿って２分割された冷却水容器３２を採用している点である。２分割された冷却水容器３２は、エンジン右端に位置する箇所と、エンジン左端に位置する箇所でスプリング３３によって接続されている。すなわち、冷却水容器３２はそれぞれシリンダボア壁４に沿って配列され、シリンダボア壁４側へ引き寄せるようにスプリング３３で接続されている。接続されている位置は、シリンダボア壁４の上縁部に相当する位置である。また、冷却水容器３２には、それぞれ冷却水入口３２ａと冷却水出口３２ｂが装着されている。

以上のように構成される潜熱蓄熱装置３１の基本的な動作及び作用は、実施例１の潜熱蓄熱装置１と同様である。ただし、実施例２の潜熱蓄熱装置３１では、スプリング３３の作用により、シリンダボア壁４への冷却水容器３２の密着性が向上している。これにより、シリンダボア壁４、特にシリンダヘッドに近い上縁部近傍の冷却を促進することができる。また、スプリング３３を装着することにより冷却水容器３２のシリンダボア壁４へ脱着が容易となっている。

なお、他の構成要素については、実施例１の潜熱蓄熱装置１と同様であるので共通する構成要素には図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。

次に、本発明の実施例３につき、図７及び図８を参照しつつ説明する。図７は、実施例３の潜熱蓄熱装置４１を装着したエンジン４０のシリンダヘッドを取り外した状態の平面図である。また、図８は、図７におけるＤ−Ｄ線で断面とし、一部を省略した拡大断面図である。潜熱蓄熱剤４１は、シリンダボア壁４とシリンダブロック外壁５との間に形成されたウォータージャケット６内に潜熱蓄熱剤７が直接封入されている。また、ウォータージャケット６の底部６ｂから上縁部６ａに渡りシリンダボア壁４の周囲に巻回され、冷却水が流通するパイプ状の冷却水通路４２を備えている。このような冷却水通路４２のシリンダボア壁４への巻回密度は、ウォータージャケット６の底部６ｂ側が低密度、上縁部６ａ側が高密度となっている。

このような構成としても、実施例１の潜熱蓄熱装置１と同様の効果を得ることができる。すなわち、潜熱蓄熱剤７の周囲、熱的に厳しい条件となるウォータージャケット上縁部６ａ近傍の十分な冷却性能を確保することができている。これにより、潜熱蓄熱剤７の熱劣化を回避することができる。また、潜熱蓄熱剤７は、シリンダボア壁４に密着しているので、エンジン４０の冷間始動時の良好な加温性能も得ることができている。

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。

潜熱蓄熱装置を装着した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。 潜熱蓄熱装置を装着したエンジンの概略構成を示す図であり、図１におけるＡ−Ａ線で断面とし、一部を省略した拡大断面図である。 比較例の潜熱蓄熱装置を装着したエンジンのシリンダブロック部分を拡大した断面図である。 実施例２のエンジンの右端と左端をシリンダの摺動方向に断面とした拡大断面図である。 図４におけるＢ−Ｂ線で断面とし、一部を省略した状態の断面図である。 図４におけるＣ−Ｃ線で断面とし、一部を省略した断面図である。 実施例３の潜熱蓄熱装置を装着した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。 実施例３のエンジンの概略構成を示す図であり、図７におけるＤ−Ｄ線で断面とし、一部を省略した拡大断面図である。

符号の説明

１、２０、３１、４１ 潜熱蓄熱装置
２、３０、４０ エンジン
３ シリンダブロック
４ シリンダボア壁
５ シリンダブロック外壁
６ ウォータージャケット
７ 潜熱蓄熱剤
８、３２ 冷却水容器
８ａ、３２ａ 冷却水入口
８ｂ、３２ｂ 冷却水出口
９ ヘッドガスケット
３３ スプリング
４２ 冷却水通路

Claims (8)

1. シリンダボア壁とシリンダブロック外壁との間に形成されたウォータージャケット内に、前記シリンダボア壁に密着させて収容した潜熱蓄熱剤と、
   当該潜熱蓄熱剤と前記シリンダブロック外壁との間、及び、前記潜熱蓄熱剤と前記ウォータージャケット上縁との間に設けた冷却水通路と、
   前記潜熱蓄熱剤の発核手段と、
   を備えたことを特徴とする潜熱蓄熱装置。
2. 請求項１記載の潜熱蓄熱装置において、
   前記潜熱蓄熱剤は、容器に収容して前記ウォータージャケット内に収容されたことを特徴とする潜熱蓄熱装置。
3. 請求項１又は２記載の潜熱蓄熱装置において、
   前記冷却水通路を、冷却水入口及び冷却水出口を備えた冷却水容器によって形成し、当該冷却水容器を前記ウォータージャケット内に収容したことを特徴とする潜熱蓄熱装置。
4. 請求項３記載の潜熱蓄熱装置において、
   前記冷却水容器は、上部を前記シリンダボア壁へ密着させる密着手段を備えたことを特徴とした潜熱蓄熱装置。
5. 請求項４記載の潜熱蓄熱装置において、
   前記密着手段は、シリンダボア壁に沿って配列した複数の前記冷却水容器を接続し、前記シリンダボア壁側へ引き寄せるスプリングであることを特徴とした潜熱蓄熱装置。
6. シリンダボア壁とシリンダブロック外壁との間に形成されたウォータージャケット内に封入した潜熱蓄熱剤と、
   前記ウォータージャケットの底部から上縁部に渡り前記シリンダボア壁の周囲に巻回され、冷却水が流通するパイプ状の冷却水通路と、
   前記潜熱蓄熱剤の発核手段と、
   を備えたことを特徴とする潜熱蓄熱装置。
7. 請求項６記載の潜熱蓄熱装置において、
   前記冷却水通路のシリンダボア壁への巻回密度は、前記ウォータージャケットの底部側を低密度とし、上縁部側を高密度としたことを特徴とする潜熱蓄熱装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項記載の潜熱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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