(57)【要約】【課題】燃料を加熱する熱源として潜熱蓄熱材を用いた加熱システムにおいて、潜熱蓄熱式加熱システムを簡素化するとともに、エンジンの廃熱を効率的に利用してエネルギー効率の高い潜熱蓄熱式燃料加熱システムにする。【解決手段】熱を発生する熱源として潜熱蓄熱材３２が収容され、フューエルインジェクションレール１４に凝固熱を直接伝熱する、過冷却状態にある潜熱蓄熱材を利用した加熱装置２０を用い、潜熱蓄熱材３２の過冷却状態を解除する発核操作を行う過冷却解除手段２２を設け、一方向に熱伝導性の高い特性を有する伝熱部材３４を利用し、エンジンの廃熱を伝熱部材３４を介して潜熱蓄熱材３２へ伝熱することにより、潜熱蓄熱材３２を加熱して溶解させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を各インジェクタに分配するフューエルインジェクションレールと、
熱を発生する熱源として潜熱蓄熱材が収容され、前記フューエルインジェクションレールに凝固熱を直接伝熱する、過冷却状態にある潜熱蓄熱材を利用する加熱装置と、
前記潜熱蓄熱材の過冷却状態を解除する発核操作を行う過冷却解除手段と、
一方向に熱伝導性の高い特性を有する伝熱部材を利用し、エンジンの廃熱を前記伝熱部材を介して前記潜熱蓄熱材へ伝熱することにより、前記潜熱蓄熱材を加熱して溶解させる伝熱手段と、
からなることを特徴とする潜熱蓄熱式燃料加熱システム。
【請求項２】
前記加熱装置は、前記フューエルインジェクションレールの本体部の一部または全体を収納可能なケースを有することを特徴とする請求項１に記載の潜熱蓄熱式燃料加熱システム。
【請求項３】
前記過冷却解除手段は、エンジン吸気の負圧を利用して発核操作を行うことを特徴とする請求項１に記載の潜熱蓄熱式燃料加熱システム。
【請求項４】
前記過冷却解除手段は、エンジンの吸気系からクランキング時の吸気負圧を前記加熱装置に導入する吸気負圧ラインと、
前記吸気負圧配管を開閉する発核操作用バルブと、
エンジンを始動させるスターターモータの起動と前記発核操作用バルブを開く操作を連動させる制御手段と、
を有することを特徴とする請求項３に記載の潜熱蓄熱式燃料加熱システム。
【請求項５】
前記過冷却解除手段の制御手段は、潜熱蓄熱材および／またはフューエルインジェクションレール内の燃料の温度を検出し、エンジン始動時の温度に応じて、エンジンの始動と当該加熱システムを連動させることを特徴とする請求項３に記載の潜熱蓄熱式燃料加熱システム。  
【請求項６】
前記伝熱手段は、サーモサイフォン式のヒートパイプを用いて、低位置にあるエンジンから高位置にある前記加熱装置に伝熱することを特徴とする請求項１に記載の潜熱蓄熱式燃料加熱システム。
【請求項７】
前記燃料には、ガソリン、エタノール、若しくはこれらの混合燃料が用いられることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかの項に記載の潜熱蓄熱式燃料加熱システム。
【請求項８】
空気をエンジンの燃焼室に供給する吸気マニホールドと、
熱を発生する熱源として潜熱蓄熱材が収容され、前記吸気マニフォールドに凝固熱を直接伝熱する、過冷却状態にある潜熱蓄熱材を利用する加熱装置と、
前記潜熱蓄熱材の過冷却状態を解除する発核操作を行う過冷却解除手段と、
一方向に熱伝導性の高い特性を有する伝熱部材を利用し、エンジンの廃熱を前記伝熱部材を介して前記潜熱蓄熱材へ伝熱することにより、前記潜熱蓄熱材を加熱して溶解させる伝熱手段と、
からなることを特徴とする潜熱蓄熱式吸気加熱システム。
【請求項９】
前記過冷却解除手段は、エンジン吸気の負圧を利用して発核操作を行うことを特徴とする請求項８に記載の潜熱蓄熱式吸気加熱システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、潜熱蓄熱式燃料・吸気加熱システムに係り、特に、寒冷地での自動車エンジンの始動性を高め、また、廃熱を利用して燃料・吸気を加熱することにより燃費の向上を図る潜熱蓄熱式燃料・吸気加熱システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
冬季には、自動車のエンジンが始動し易いように、エンジン本体あるいは燃料をあらかじめ予熱しておくことが行われており、従来から、予熱するシステムを搭載した車両が開発されている。特に、寒冷地では、予熱システムによりエンジンや燃料を予熱しておくことは、エンジン始動性の改善になる。
【０００３】
従来、ディーゼルエンジンでは、グローブラグを用いてエンジンの副燃焼室内の圧縮空気を直接燃焼するものなどが知られている。また、特許文献１には、始動時間を短縮するために、副燃焼室の周囲のヘッドジャケットにグロープラグとともに水温検出器を設け、水温が一定以下になると、グロープラグによりヘッドジャケット内の冷却水を予熱し、この冷却水により副燃焼室を暖めることが提案されている。
【０００４】
最近では、電気ヒータの替わりに潜熱蓄熱材を用いて燃料を加熱する技術が提案されている（特許文献２）。この特許文献２では、コモンレールなどの燃料供給経路の周囲に潜熱蓄熱材を収容する潜熱蓄熱材収容室を形成し、この潜熱蓄熱材収容室の周囲に冷却水通路を形成している。エンジンの始動時には、トリガーによる発核操作で潜熱蓄熱材の過冷却状態が解除され、その際に発生する凝固熱で燃料が加熱される。エンジンが始動した後は、廃熱で加熱された冷却水を冷却水通路に流し、凝固した蓄熱材を再度溶解させて次回のエンジン始動時に備えることになる。
【特許文献１】特開平５−１０２２６号公報
【特許文献２】特開２００６−３１６７７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１のような従来の燃料加熱方式は、熱源に電気ヒータを用いているため、エネルギー効率が悪いという問題がある。すなわち、電気ヒータの電源は、バッテリからとることになるが、バッテリの充電は、もともと燃料の熱エネルギーを電気エネルギーに変換したものである。そして、電気を熱エネルギーに再度変えるというように、変換経路が長いため、燃料を出発点とすれば最終的な変換効率は低くなる。さらに、電気ヒータによる加熱方式では、大電流を使用するので、安全性に問題があり、また寒さの厳しいときには、バッテリがあがってしまう虞がある。
【０００６】
他方、潜熱蓄熱方式を利用した特許文献２では、潜熱蓄熱材の周囲に形成される冷却水通路にある冷却水に、過冷却解除時の発熱した熱の一部が奪われることにより、熱損失が生じるとともに、冷却水通路を形成するのに複雑な３重構造になる。
【０００７】
また、凝固した潜熱蓄熱材を再溶融させるために必要な冷却水の供給や温度を制御するシステムが複雑になるという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、燃料を加熱する熱源として潜熱蓄熱材を用いた加熱システムにおいて、潜熱蓄熱材発熱時の熱損失を少なくするとともに、エンジンの廃熱を効率的に利用してエネルギー効率の高い潜熱蓄熱式燃料・吸気加熱システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の目的を達成するために、本発明による潜熱蓄熱式燃料加熱システムは、燃料を各インジェクタに分配するフューエルインジェクションレールと、熱を発生する熱源として潜熱蓄熱材が収容され、前記フューエルインジェクションレールに凝固熱を直接伝熱する、過冷却状態にある潜熱蓄熱材を利用する加熱装置と、前記潜熱蓄熱材の過冷却状態を解除する発核操作をエンジン始動時の吸気負圧を利用して行う過冷却解除手段と、一方向に熱伝導性の高い特性を有する伝熱部材を利用し、エンジンの廃熱を前記伝熱部材を介して前記潜熱蓄熱材へ伝熱することにより、前記潜熱蓄熱材を加熱して溶解させる伝熱手段と、からなることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明による潜熱蓄熱式吸気加熱システムは、空気をエンジンの燃焼室に供給する吸気マニホールドと、熱を発生する熱源として潜熱蓄熱材が収容され、前記吸気マニフォールドに凝固熱を直接伝熱する、過冷却状態にある潜熱蓄熱材を利用する加熱装置と、前記潜熱蓄熱材の過冷却状態を解除する発核操作をエンジン始動時の吸気負圧を利用して行う過冷却解除手段と、一方向に熱伝導性の高い特性を有する伝熱部材を利用し、エンジンの廃熱を前記伝熱部材を介して前記潜熱蓄熱材へ伝熱することにより、前記潜熱蓄熱材を加熱して溶解させる伝熱手段と、からなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料や吸気を加熱する熱源として潜熱蓄熱材を用いた加熱システムにおいて、潜熱蓄熱材発熱時の熱損失を少なくするとともに、エンジンの廃熱を効率的に利用して、エネルギー効率の高い潜熱蓄熱式燃料・吸気加熱システムを構築することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明による潜熱蓄熱式燃料・吸気加熱システムの一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。  
第１実施形態  
図１は、本発明の第１実施形態による潜熱蓄熱式燃料加熱システムの構成を示す図である。図１において、参照番号１０は、自動車のエンジンを示し、参照番号１１は、吸気マニホールドなどを含むエンジンの吸気系を示す。参照番号１２は、燃料タンクである。参照番号１４は、フューエルインジェクションレールである。
【００１３】
燃料タンク１２の燃料は、図示しない燃料ポンプによって圧力を高められて、燃料供給配管１５を通じてフューエルインジェクションレール１４に供給される。このフューエルインジェクションレール１４は、細長い容器からなる本体部を有している。この本体部には、複数のインジェクタ１６が配列されている。フューエルインジェクションレール１４に送られた燃料は、各インジェクタ１６に分配されて、インジェクタ１６が開くとエンジン１０の各気筒に噴射される。
【００１４】
本実施形態による潜熱蓄熱式燃料加熱システムでは、過冷却状態の潜熱蓄熱材が放出する凝固熱を利用して加熱する加熱装置２０をフューエルインジェクションレール１４と組み合わせ、この加熱装置２０が燃料を加熱する熱源として利用されている。
【００１５】
図１において、加熱装置２０には、エンジン１０の吸気系１１からクランキング時の吸気負圧を加熱装置２０に導入する吸気負圧ライン２１が接続されている。エンジン１０を始動させるときに自動車の吸気系１１には負圧が発生する。この実施形態では、この負圧を加熱装置２０の中にある潜熱蓄熱材の過冷却状態を解除する発核操作に利用している。吸気負圧ライン２１の途中には、発核操作用バルブ２２が設けられている。この発核操作用バルブ２２は、吸気負圧ライン２１を開閉するもので、発核操作用バルブ２２が開くと、負圧が加熱装置２０に導入される。
【００１６】
エンジン１０の始動と発核操作を連動させるために、制御装置２４で発核操作用バルブ２２の開閉操作を制御する。この場合、スタータモータ２５の始動と連動するように、制御装置２４は、発核操作用バルブ２２を開く。なお、加熱装置２０には、温度センサ２６が配置されており、この温度センサ２６で燃料の温度が検出される。制御装置２４は、後述するように、燃料の温度状況に応じて、発核操作をするかどうかを自動的に判別する。
【００１７】
次に、図２は、本実施形態による加熱装置２０を示す。この加熱装置２０はケース３０を含む。このケース３０の中には、潜熱蓄熱材３２が充填されているとともに、フューエルインジェクションレール１４の本体部が収容されている。潜熱蓄熱材３２で発生した凝固熱は、直接フューエルインジェクションレール１４を加熱するようになっている。
【００１８】
加熱装置２０の内部には、サーモサイフォン式のヒートパイプ３４が伝熱手段として設けられている。このヒートパイプ３４は、エンジン１０のエンジン部品３５から熱を取り、その廃熱で潜熱蓄熱材３２を溶解する。
【００１９】
この実施形態では、加熱装置２０は、エンジン１０よりも上位に設置されており、ヒートパイプ３４は、低位置にあるエンジン１０から高位置にある加熱装置２０に廃熱を伝熱する一方、その反対方向には伝熱され難くなっている。
【００２０】
本実施形態による潜熱蓄熱式燃料加熱システムは、以上のように構成されるものであり、次に、その作用並びに効果について説明する。  
エンジン１０を始動させるため、スタータモータ２５を起動してクランキングをする。このとき、制御装置２４は、温度センサ２６で燃料の温度を監視しており、検出した温度があらかじめ設定されている温度以下であると、以下のような燃料加熱を行いながらのエンジン始動動作モードに移行する。燃料の温度が設定温度以上であれば、燃料を加熱する必要はないので、通常のエンジン始動になる。
【００２１】
そこで、燃料の温度が低く、そのままではエンジンがなかなか始動しない場合は、次のようにして燃料の加熱処理が自動的に進行する。
【００２２】
すなわち、制御装置２４は、スタータモータ２５の起動と同時に発核操作用バルブ２２を開く。これにより、クランキングによって発生した負圧は、加熱装置２０内部で過冷却状態にある潜熱蓄熱材３２を発核させる。潜熱蓄熱材３２の過冷却状態は解除され、凝固が開始される。これに伴い凝固熱が放出される。
【００２３】
発生した凝固熱は、加熱装置２０の中にあるフューエルインジェクションレール１４の本体部全体に直接熱伝導し、フューエルインジェクションレール１４内の燃料を加熱する。このような凝固熱による燃料加熱は、エンジン暖気まで数分間行われる。
【００２４】
なお、事前に発核操作し加熱を開始し、燃料温度がエンジン始動に十分な温度になるとスタータモータ２５を回しエンジン１０を始動した場合はさらに効果的である。
【００２５】
こうしてエンジン１０が始動してしまうと、発核操作用バルブ２２は閉じられる。以後、自動車の走行中は、エンジン１０からの廃熱を利用して、次回の始動に備えた潜熱蓄熱材３２の溶解が行われることになる。
【００２６】
エンジン１０から排出される熱は、ヒートパイプ３４を伝熱して、加熱装置２０まで伝導してくる。この廃熱をもらって、潜熱蓄熱材３２は溶解されることになる。この実施形態では、伝熱手段としては、サーモサイフォン式（重力落下方式）のヒートパイプ３４が利用されているので、エンジン１０から加熱装置２０には熱が伝わっても、加熱装置２０からはエンジン１０に熱が伝わりにくくなっている。これにより、エンジン１０を始動するときに発生する凝固熱は、外に損失されにくく、燃料の効率的な加熱が可能であり、燃料の加熱と、潜熱蓄熱材３２の加熱について両者共に効率良く両立させることができる。
【００２７】
以上のように、本実施形態によれば、潜熱蓄熱材３２の凝固熱を利用してフューエルインジェクションレール１４を加熱し、始動した後は次回の始動に備えて潜熱蓄熱材３２を溶解する熱源にエンジン１０の廃熱を無駄なく利用しているので、燃料加熱にあたってのエネルギー効率に優れ、省エネルギー、燃費向上の効果が高い。すなわち、従来のように、バッテリを電源にして、電気ヒータで加熱するのに較べると、エネルギーを無駄なく循環的に利用することができるので、エンジンの始動性を高めると同時に省エネルギーも実現することができる。ちなみに、加熱装置２０の容量が２．２リットルで、蓄熱材として酢酸ナトリウムを６５０グラム充填した場合、過冷却状態を解除させて得られる凝固熱は、常温（２７℃）の加熱対象（この場合、水）に対し１６．２５Ｗｈであった。
【００２８】
また、この特許文献２に挙げた先行技術のように、コモンレールなどの燃料供給経路の周囲に、潜熱蓄熱材を収容する潜熱蓄熱材収容室を形成し、さらに潜熱蓄熱材収容室の周囲に冷却水通路を形成する３重構造のシステムと較べると、本実施形態のシステムでは、冷却水通路が必要なく、二重構造の加熱装置を構成することができ、製造が容易でコストダウンが可能である。
【００２９】
さらに、発核操作にはクランキング時の負圧を利用するので、潜熱蓄熱材の発核操作の構成を簡素化することができる。
【００３０】
また、加熱装置２０で燃料を穏やかに加熱しているので、燃料の引火の危険がなく、安全性に優れ、ガソリン、エタノール、若しくはこれらの混合燃料が用いられるＦＦＶ（Flex  Fuel  Vehicle）への燃料加熱システムの適用が容易である利点もある。
【００３１】
第２実施形態  
次に、図３は、本発明をエンジン１０の始動性を高めるため、吸気を加熱するシステムに適用した実施の形態を示す。
【００３２】
図３において、本実施形態による加熱装置４０は、ケース４１を含む。このケース４１の中には、潜熱蓄熱材３２が充填されている。加熱装置４０は、吸気マニホールド４２のエンジン燃焼室手前部分を加熱する位置に取り付けられている。加熱装置４０の内部には、サーモサイフォン式のヒートパイプ３４が伝熱手段として設けられていること、および吸気負圧ライン２１の途中には、発核操作用バルブ２２が設けられていることは、第１実施形態と同様である。
【００３３】
この第２実施形態では、クランキングによって発生した負圧が、加熱装置４０内部で過冷却状態にある潜熱蓄熱材３２を発核させる。これにより、潜熱蓄熱材３２の過冷却状態は解除され、放出される凝固熱によって、燃焼室に供給される空気の温度を上昇させることができる。これにより、燃料の気化を促進することができ、エンジン１０の始動性を高めることが可能になる。
【００３４】
エンジン１０が始動してしまうと、発核操作用バルブ２２は閉じられる。以後、自動車の走行中は、エンジン１０の排気マニホールド４３からの廃熱をヒートパイプ３４で回収し、次回の始動に備えた潜熱蓄熱材３２の溶解が行われることになる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１実施形態による潜熱蓄熱式燃料加熱システムの構成を示すブロック図である。
【図２】第１実施形態の潜熱蓄熱式燃料加熱システムにおける加熱装置の説明図である。
【図３】第２実施形態の潜熱蓄熱式吸気加熱システムの説明図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  エンジン
１１  吸気系
１２  燃料タンク
１４  フューエルインジェクションレール
１５  燃料供給配管
１６  インジェクタ
２０  加熱装置
２１  吸気負圧ライン
２２  発核操作用バルブ
２４  制御装置
２６  スタータモータ
３０  ケース
３２  潜熱蓄熱材  
３４  ヒートパイプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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