JP4453633B2 - 内燃機関の蓄熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の蓄熱装置に関する。

内燃機関の作動中に温度が上昇した冷却水を蓄熱タンクに蓄えておき、次回の機関始動時に該蓄熱タンクに蓄えられた冷却水を内燃機関に流すことにより速やかな暖機の完了を図ることができる。蓄熱タンクに蓄えられた温度の高い冷却水は、内燃機関の始動時に消費されるので、内燃機関の始動後に温度の高い冷却水を再度蓄える必要がある。ここで、内燃機関の運転時間が短いと冷却水の温度が十分に上昇しないため、蓄熱タンクに熱を蓄えることが困難となる。

そして、蓄熱タンクとハイブリッドシステムとを備えるものにおいて、内燃機関の停止条件すなわちモータ駆動に切り替わる条件を、蓄熱タンクに熱を蓄える必要があるときと、そうではないときとで変更する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この従来技術によれば、蓄熱タンクに熱を蓄える必要があるときには、内燃機関が停止されにくくなるので冷却水の温度を上昇速やかに上昇させることができる。
特開２００３−２９３７６９号公報 特開平８−１８３３２４号公報

ここで、内燃機関を運転中には冷却水が内燃機関の外部にも循環されるため、該内燃機関の外部の温度やそこを流れる冷却水の温度も上昇させなくてはならない。すなわち、内燃機関を循環する全ての冷却水温度を蓄熱装置に導入し得る温度まで上昇させるのに時間がかかる。したがって、冷却水温度のより速やかな上昇が望まれる。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、内燃機関の蓄熱装置において、より速やかに蓄熱装置に熱を蓄えることができる技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明による内燃機関の蓄熱装置は、以下の手段を採用した。

すなわち、
内燃機関の冷却水を循環させ且つ冷却水の流量を変更可能なポンプと、
前記内燃機関の冷却水を蓄えることにより熱を蓄える蓄熱装置と、
前記蓄熱装置に熱を蓄える前に前記内燃機関を作動させつつ前記ポンプを停止させることにより冷却水の温度を上昇させた後に前記ポンプを作動させて蓄熱装置へ冷却水を導入する蓄熱制御手段と、
を備えたことを特徴とする。

蓄熱装置に熱を蓄える前にポンプを停止させることにより、内燃機関内部の冷却水が該内燃機関内部に滞留する。これにより、内燃機関内部の冷却水は、内燃機関から発生する熱を多く受けることができ、温度が速やかに上昇される。このようにして内燃機関内部の冷却水温度を上昇させた後にポンプを作動させることにより、内燃機関内部に滞留していた温度の高い冷却水を蓄熱装置に導入することができる。したがって、早期に蓄熱装置へ
熱を蓄えることが可能となる。これにより、内燃機関の運転時間が短い場合であっても蓄熱装置に熱を蓄えることが可能となる。

また、本発明においては、モータを有するハイブリッドシステムをさらに備え、前記蓄熱制御手段によりポンプが停止されているときに内燃機関の出力が第１所定値以下となるように前記モータを作動させることができる。

ポンプを停止させることにより、内燃機関内部の温度が局所的に上昇し、冷却水が沸騰するおそれがある。ここで、ハイブリッドシステムにおいては、モータの出力を補助的に用いて車輪を駆動させることができる。すなわち、内燃機関の負荷が高くなったときにモータを作動させることにより、内燃機関の負荷を低下させつつ車両全体としては出力を一定に保つことができる。これにより、内燃機関から発生する熱量を減少させることができるので、冷却水温度が過剰に上昇することを抑制できる。そして、内燃機関の耐久性および信頼性を高めることができる。

ここで、前記第１所定値とは、内燃機関が過熱するおそれのない出力の最高値、若しくは冷却水が沸騰するおそれのない出力の最高値とすることができる。

さらに、本発明においては、モータを有するハイブリッドシステムをさらに備え、前記蓄熱制御手段によりポンプが停止されているときに内燃機関の出力が第２所定値以上となるように前記モータを作動させることができる。

内燃機関の負荷が低い場合には、内燃機関の出力が小さくなり発生する熱量も少なくなる。内燃機関から発生する熱量が少ないと、冷却水温度を上昇させるために長い時間が必要となる。ここで、ハイブリッドシステムにおいては、モータを発電機として用いることにより内燃機関の負荷を増加させることができる。なお、発電機とモータとは別々に設けられていてもよい。そして、モータにより内燃機関の負荷を増加させることにより、内燃機関から発生する熱量を増加させることができるので、冷却水温度をより速やかに上昇させることができる。これにより、蓄熱装置へ熱を速やかに蓄えることが可能となる。

なお、前記第２所定値とは、蓄熱装置に早期に熱を蓄えるために必要となる内燃機関の出力の最低値とすることができる。

本発明に係る内燃機関の蓄熱装置は、より速やかに蓄熱装置に熱を蓄えることができる。

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。

図１は、本実施例に係る内燃機関の蓄熱装置の概略構成を示す図である。

内燃機関１は、４サイクル機関であり、シリンダヘッド２およびシリンダブロック３を備えて構成されている。

内燃機関１の内部には冷却水を循環させるためのウォータジャケット４が形成されている。また、内燃機関１には冷却水を循環させるための通路が接続されている。この冷却水を循環させるための通路は、ラジエータ５を循環する第１循環通路６、ヒータコア７を循
環する第２循環通路８、バイパス通路９を循環する第３循環通路１０を備えて構成されている。各循環通路の一部には、他の循環通路と共有されている箇所があり、例えばウォータジャケット４は全ての循環通路に含まれている。

第１循環通路６は、ラジエータ５、サーモスタット１１、電動ポンプ１２、ウォータジャケット４を備えて構成されている。サーモスタット１１は、冷却水温度が設定温度よりも高くなると作動して第１循環通路６に冷却水を流し、冷却水温度が低いときには第３循環通路１０に冷却水を流す。また、第２循環通路８には、冷却水温度によらず冷却水が流れている。

第１循環通路６では、電動ポンプ１２から吐出された冷却水が、ウォータジャケット４、ラジエータ５、サーモスタット１１の順に流れる。

第２循環通路８は、ヒータコア７、電動ポンプ１２、ウォータジャケット４、蓄熱装置２０、三方弁２１を備えて構成されている。三方弁２１は後述するＥＣＵ１４からの信号により作動し、ヒータコア７または蓄熱装置２０の何れか一方に冷却水を流す。なお、三方弁２１は、ヒータコア７または蓄熱装置２０へ流す冷却水の割合を変更可能なものでもよい。

第２循環通路８では、電動ポンプ１２から吐出された冷却水が、ウォータジャケット４、ヒータコア７、三方弁２１の順、またはウォータジャケット４、蓄熱装置２０、三方弁２１の順に流れる。

第３循環通路１０は、バイパス通路９、サーモスタット１１、電動ポンプ１２、ウォータジャケット４を備えて構成されている。

第３循環通路１０では、電動ポンプ１２から吐出された冷却水が、ウォータジャケット４、バイパス通路９、サーモスタット１１の順に流れる。

第１循環通路６および第２循環通路８の内燃機関１からの出口付近には、該第１循環通路６および第２循環通路８内を流れる冷却水の温度に応じた信号を出力する冷却水温度センサ１３が取り付けられている。この冷却水温度センサ１３は、バイパス通路９の近くに取り付けられているため、冷却水温度センサ１３により得られる冷却水温度（以下、検出水温という。）は、該バイパス通路９を流れる冷却水の温度をも示している。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１４が併設されている。このＥＣＵ１４は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。

ＥＣＵ１４には、冷却水温度センサ１３の他、アクセル開度すなわち機関負荷に応じた信号を出力するアクセル開度センサ１５、内燃機関１の回転数に応じた信号を出力するクランクポジションセンサ１６が電気配線を介して接続され、これらセンサの出力信号がＥＣＵ１４に入力されるようになっている。

一方、ＥＣＵ１４には、電動ポンプ１２および三方弁２１が電気配線を介して接続され、ＥＣＵ１４はこの電動ポンプ１２および三方弁２１を制御する。電動ポンプ１２は、該電動ポンプ１２へ供給する電力を調整することにより、冷却水の吐出量すなわち冷却水の流量を調整することができる。また、内燃機関１の運転中であっても、電動ポンプ１２を停止することができる。

そして、本実施例においては、蓄熱装置２０に熱を蓄える必要があるときに電動ポンプ１２を停止させている。これにより、ウォータジャケット４内（以下、内燃機関１の内部ともいう。）の冷却水の温度を速やかに上昇させることができる。そして、ウォータジャケット４内の冷却水温度が十分に上昇したときに電動ポンプ１２を作動させ、且つ蓄熱装置２０に冷却水が流れるように三方弁２１を制御する。その後、蓄熱装置２０に熱が蓄えられたならば、三方弁２１を制御してヒータコア７へ冷却水を流すようにする。

なお、乗員がヒータのスイッチを入れる等してヒータコア７へ冷却水を流す必要がある場合には、電動ポンプ１２を作動させヒータコア７へ冷却水を流すようにしてもよい。また、電動ポンプ１２を停止させるのは、ウォータジャケット４内の冷却水が沸騰するおそれのない条件で行うようにしてもよい。

ここで、図２は、内燃機関１の内部の冷却水温と、三方弁２１が冷却水を流す部位と、電動ポンプ１２の作動状態と、の推移を示したタイムチャートである。

電動ポンプ１２が停止（ＯＦＦ）されると内燃機関１の内部の冷却水温度が上昇する。冷却水の上昇途中ではまだ蓄熱装置に流すほど温度が上昇していないため、三方弁２１はヒータコア７へ冷却水を流している。そして、内燃機関１の内部の冷却水温度が十分に高くなったときに、電動ポンプ１２が作動（ＯＮ）され、同時に三方弁２１が蓄熱装置２０に冷却水を流す。このときに、内燃機関１の外部に滞留していた冷却水が該内燃機関１に流入するため冷却水温度が低下する。そして、蓄熱装置２０に温度の低い冷却水を流さないように三方弁２１が制御され、これによりヒータコア７へ冷却水が流される。

次に、本実施例における蓄熱制御のフローについて説明する。

図３は、本実施例における蓄熱制御のフローを示したフローチャートである。本ルーチンは所定の時間毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０１では、蓄熱装置２０に熱を蓄える条件が成立しているか否か判定される。すなわち、蓄熱装置２０に蓄えられている冷却水温度が所定値以下であり、電動ポンプ１２が停止されており、且つ内燃機関１の内部の冷却水温度が所定値以上であるか否か判定される。

ここで、蓄熱装置２０に蓄えられている冷却水温度が所定値以下であるとは、蓄熱装置２０に熱を蓄える必要があるということを意味している。また、電動ポンプ１２が停止されているとは、内燃機関１の内部の冷却水温度が上昇されているということを意味している。さらに、内燃機関１の内部の冷却水温度が所定値以上であるとは、内燃機関１の内部の冷却水温度が、蓄熱装置２０に蓄えても良いほど上昇しているということを意味している。

なお、蓄熱装置２０内の冷却水温度は、例えば該蓄熱装置２０内に温度センサを取り付けることにより得ることができる。また、内燃機関１の内部の冷却水温度は、例えば冷却水温度センサ１３から得られる冷却水温度から推定することができる。

ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを一旦終了させる。

ステップＳ１０２では、蓄熱装置２０に熱が蓄えられる。すなわち、電動ポンプ１２が作動され、三方弁２１が蓄熱装置２０へ冷却水を流すように制御される。

このようにして、内燃機関１の完全暖機前、すなわち、各循環通路内の冷却水温度がまだ暖機完了とされる温度まで上昇していなくても、内燃機関１の内部の冷却水温度を上昇させることができるので、蓄熱装置２０へ速やかに熱を蓄えることができる。これにより、内燃機関１の運転時間が短い場合であっても蓄熱装置２０に熱を蓄えることができる。また、より温度の高い冷却水を蓄熱装置２０に蓄えることができる。さらに、サーモスタット１１を電気的に制御する必要もない。

本実施例においては、電動ポンプ１２の停止中に冷却水温度が過剰に上昇しないように内燃機関１の出力を所定値以下に制限している。そのために、本実施例においては、実施例１の装置に加えてハイブリッドシステムを備えている。

図４は、本実施例におけるハイブリッドシステムの概略構成図である。

本実施例によるハイブリッドシステムは、内燃機関１、動力分割機構３１、電動モータ３２、発電機３３、バッテリ３４、インバータ３５、車軸３６、減速機３７、車輪３８を備えて構成されている。

動力分割機構３１は、内燃機関１からの出力を発電機３３や車軸３６に振り分けている。この動力分割機構３１は、電動モータ３２からの出力を車軸３６に伝達する機能をも有する。電動モータ３２は、減速機３７を介して車軸３６と比例した回転数にて回転する。該電動モータ３２は、通常運転時には必要に応じて内燃機関１の出力を補助することもできる。また、電動モータ３２及び発電機３３には、インバータ３５を介してバッテリ３４が接続されている。そして、発電機３３は、内燃機関１からの動力を得て発電しバッテリ３４の充電を行う。

このように構成されたハイブリッドシステムでは、通常走行時には内燃機関１の出力若しくは電動モータ３２の出力により車軸３６を回転させ、車輪３８が駆動される。また、内燃機関１の出力と電動モータ３２の出力とを合わせて車軸３６を回転させ、車輪３８を駆動することもできる。一方、減速時には、車輪３８の回転力により電動モータ３２を発電機として作動させることで、運動エネルギを電気エネルギに変換しバッテリ３４に回収させることもできる。このように、車両減速時に運動エネルギを電気エネルギに変換するため、車両の減速を補助することが可能となっている。

そして、本実施例においては、蓄熱装置２０に熱を蓄えるために電動ポンプ１２が停止されている間は、内燃機関１の出力が所定値以下となるように電動モータ３２を制御する。すなわち、内燃機関１への要求負荷が高く、該内燃機関１の出力が所定値を超える場合には、その超えた分を電動モータ３２の出力により補う。

次に、本実施例による蓄熱制御のフローについて説明する。

図５は、本実施例による蓄熱制御のフローを示したフローチャートである。本ルーチンは所定の時間毎に繰り返し実行される。

ステップＳ２０１では、蓄熱装置２０に熱を蓄える条件が成立しているか否か判定される。すなわち、蓄熱装置２０に蓄えられている冷却水温度が所定値以下であり、バッテリ３４の充電量が所定値範囲内であり、且つ内燃機関１に要求される出力が所定値以下であるか否か判定される。

ここで、蓄熱装置２０に蓄えられている冷却水温度が所定値以下であるとは、蓄熱装置
２０に熱を蓄える必要があるということを意味している。また、バッテリ３４の充電量が所定値範囲内であるとは、内燃機関１の出力を電動モータ３２で補うことが可能なほどの充電量が確保されているということを意味している。さらに、内燃機関１に要求される出力が所定値以下であるとは、電動モータ３２では補えないほどの出力が要求されていないということを意味している。

なお、内燃機関１に要求されている出力は、アクセル開度センサ１５の出力信号により得ることができる。

ステップＳ２０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ２０２へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ２０３へ進む。

ステップＳ２０２では、内燃機関１の出力が制限される。すなわち、要求出力が所定値よりも高い場合には電動モータ３２の出力が上昇される。ここでの所定値とは、内燃機関１の内部の冷却水の沸騰を抑制し得る内燃機関１の出力の上限値である。

ステップＳ２０３では、電動ポンプ１２の通常制御が行われる。ここでいう通常制御とは、蓄熱装置２０に熱を蓄えるとき以外における電動ポンプ１２の制御をいう。ここでは、電動ポンプ１２を作動させたり、内燃機関１の運転状態に応じて冷却水流量を制御したりする。

ステップＳ２０４では、内燃機関１の内部の冷却水温度が所定値以上であるか否か判定される。

ここで、内燃機関１の内部の冷却水温度が所定値以上であるとは、内燃機関１の内部の冷却水温度が、蓄熱装置２０に蓄えても良いほど上昇しているということを意味している。

ステップＳ２０４で肯定判定がなされた場合にはステップＳ２０５へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ２０６へ進む。

ステップＳ２０５では、蓄熱装置２０に熱が蓄えられる。すなわち、電動ポンプ１２が作動され、三方弁２１が蓄熱装置２０へ冷却水を流すように制御される。

ステップＳ２０６では、電動ポンプ１２が停止される。これにより、内燃機関１の内部の冷却水温度がさらに上昇される。

このようにして、内燃機関１の出力を制限しつつ内燃機関１の内部の冷却水温度を速やかに上昇させることができるので、蓄熱装置２０に速やかに熱を蓄えることが可能となる。そして、電動ポンプ１２の停止時に例えば急加速等が行われたとしても、内燃機関１の出力は制限されているため冷却水温度が過剰に上昇することが抑制される。さらに、内燃機関１の内部の冷却水が局所的に沸騰することが抑制される。これらにより、内燃機関１の耐久性および信頼性を向上させることができる。

本実施例においては、内燃機関１の出力が小さいときに該内燃機関１の負荷を増加させることにより、該内燃機関１の出力を増加させて、内燃機関１の内部の冷却水温度の早期上昇を図る。そのために、本実施例においては、実施例２で説明したハイブリッドシステムを備えている。

ここで、内燃機関１の出力が小さいときに発電機３３により発電を行うと、内燃機関１の負荷が増加して該内燃機関１の出力が増加する。このときに得られる電力は、バッテリ３４へ充電させることができる。

次に、本実施例による蓄熱制御のフローについて説明する。

図６は、本実施例による蓄熱制御のフローを示したフローチャートである。本ルーチンは所定の時間毎に繰り返し実行される。なお、前記フローチャートと同じ処理がなされるステップについては、同じ番号を付して説明を省略する。

ステップＳ３０１では、内燃機関１の要求出力が所定値以下であるか否か判定される。ここでは、内燃機関１の内部の冷却水温度を早期に上昇させるために必要となる内燃機関１の出力が得られない状態であるか否か判定されている。

ステップＳ３０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ３０２へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ２０４へ進む。

ステップＳ３０２では、内燃機関１の出力が増加される。内燃機関１の出力が予め定められた値となるように、発電機３３による発電量が調整される。

このようにして、内燃機関１の出力を増加させつつ内燃機関１の内部の冷却水温度を速やかに上昇させることができるので、蓄熱装置２０に速やかに熱を蓄えることが可能となる。

実施例に係る内燃機関の蓄熱装置の概略構成を示す図である。 内燃機関の内部の冷却水温と、三方弁が冷却水を流す部位と、電動ポンプの作動状態と、の推移を示したタイムチャートである。 実施例２における蓄熱制御のフローを示したフローチャートである。 実施例におけるハイブリッドシステムの概略構成図である。 実施例２による蓄熱制御のフローを示したフローチャートである。 実施例３による蓄熱制御のフローを示したフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
２ シリンダヘッド
３ シリンダブロック
４ ウォータジャケット
５ ラジエータ
６ 第１循環通路
７ ヒータコア
８ 第２循環通路
９ バイパス通路
１０ 第３循環通路
１１ サーモスタット
１２ 電動ポンプ
１３ 冷却水温度センサ
１４ ＥＣＵ
１５ アクセル開度センサ
１６ クランクポジションセンサ
２０ 蓄熱装置
２１ 三方弁
３１ 動力分割機構
３２ 電動モータ
３３ 発電機
３４ バッテリ
３５ インバータ
３６ 車軸
３７ 減速機
３８ 車輪

Claims (3)

1. 内燃機関の冷却水を循環させ且つ内燃機関の内部を流通する冷却水の流量を変更可能なポンプと、
   前記内燃機関の冷却水を蓄えることにより熱を蓄える蓄熱装置と、
   前記蓄熱装置に熱を蓄える前に前記内燃機関を作動させつつ前記ポンプを停止させることにより該内燃機関の内部における冷却水の流通を停止させることで冷却水の温度を上昇させた後に前記ポンプを作動させて蓄熱装置へ冷却水を導入する蓄熱制御手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の蓄熱装置。
2. モータを有するハイブリッドシステムをさらに備え、前記蓄熱制御手段によりポンプが停止されているときに内燃機関の出力が第１所定値以下となるように前記モータを作動させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の蓄熱装置。
3. モータを有するハイブリッドシステムをさらに備え、前記蓄熱制御手段によりポンプが停止されているときに内燃機関の出力が第２所定値以上となるように前記モータを作動させることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の蓄熱装置。

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