JP3586029B2

JP3586029B2 - 内燃機関用エアヒータ及びその制御装置

Info

Publication number: JP3586029B2
Application number: JP05168996A
Authority: JP
Inventors: 誠五村松; 智明松川
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1996-03-08
Filing date: 1996-03-08
Publication date: 2004-11-10
Anticipated expiration: 2016-03-08
Also published as: JPH09245939A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車用のディーゼルエンジン等の内燃機関の吸気加熱に用いられる内燃機関用エアヒータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ディーゼルエンジンなどの自己着火式の内燃機関においては、吸入空気の温度が低い場合、シリンダー内で圧縮した空気の状態が着火状態に達しないことがあり、その時には燃焼が起きにくいという現象がある。そこで、この種の内燃機関には、着火及び燃焼を補助するために、吸入空気温度を電気ヒータなどを用いて上昇させる燃焼補助装置（吸気加熱用ヒータ）が備えられている。
【０００３】
上述した電気ヒータには、例えば、▲１▼発熱体として帯状の金属抵抗体であるヒータエレメント（リボンヒータ）を用いたタイプ（特開昭６３−５８７８３号公報参照）と、▲２▼発熱体としてＰＴＣヒータを用いたタイプ（特開昭６２−１０７２６１号公報参照）が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した▲１▼リボンヒータの様なヒータエレメントを用いたタイプは、吸気における圧力損失が少なく、また、放熱面の温度を高くできるので、吸気を急速に高温まで昇温できるという利点があるが、放射熱や、インシュレータを介した熱伝達によって温度が周囲に放散するので、加熱効率が悪いという問題がある。また、過昇温の可能性が有り、しかも通電電流も大きいため、安全性及び耐久性の観点から、リレーなどで通電制御する必要がある。
【０００５】
一方、▲２▼ＰＴＣヒータは、放射面の温度は一定以上上げられないので、吸気をその温度以上には加熱できない点や加熱スピードの点が不利であるが、過昇温の可能性が無く、制御装置が不要であり、加熱効率が良いという利点がある。
つまり、上記の２つの従来技術はそれぞれ長所と短所が有り、特に▲１▼ヒータエレメントを用いたものは、ヒータエレメントが過昇温しないようにリレー及びコントローラで通電制御するために、全体のシステムが高価なものとなるという問題があった。
【０００６】
本発明は、この様な不具合に鑑みなされたもので、両技術の長所を取入れ、加熱効率がよく、しかも過昇温を防止できるとともに、制御装置を簡易化できる内燃機関用エアヒータを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための請求項１の発明は、
主なる発熱体として用いられるヒータエレメントに直列にＰＴＣ素子を接続した構成を有する内燃機関用エアヒータであって、順次平行に曲げられた帯状の前記ヒータエレメントの曲げ部両側をインシュレータで保持したヒータエレメント部と、前記ＰＴＣ素子を放熱フィンで挟んだＰＴＣ素子部と、を備えるとともに、前記ＰＴＣ素子部の前記放熱フィンの配置された両側に前記ヒータエレメント部を積層配置し、前記ヒータエレメントからの熱伝達によってＰＴＣ素子が加熱される構成としたことを特徴とする内燃機関用エアヒータを要旨とする。
【０００９】
請求項２の発明は、
前記請求項１記載の内燃機関用エアヒータへの通電を制御する内燃機関用エアヒータの制御装置であって、内燃機関を予熱するプリヒート後にクランキングを行なう際には、内燃機関用エアヒータへの通電を所定期間禁止することを特徴とする内燃機関用エアヒータの制御装置を要旨とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
請求項１の発明では、ヒータエレメントに直列にＰＴＣ素子が接続されるとともに、ＰＴＣ素子部の放熱フィンの配置された両側にヒータエレメント部が積層配置されているので、ＰＴＣ素子の自己発熱だけでなく、ヒータエレメントからの熱伝達によってＰＴＣ素子が加熱される。このＰＴＣ素子とは、正の温度抵抗係数を有する（即ち温度が高くなるほど抵抗も大きくなる）セラミック発熱体である。従って、エアヒータに通電が開始されると、ヒータエレメントの温度が急速に上昇するが、ヒータエレメントからＰＴＣ素子への熱伝導及びＰＴＣ素子自身の発熱によって、ＰＴＣ素子の温度も上昇するので、ＰＴＣ素子の抵抗値が大きくなり、それによって、ヒータエレメントに流れる電流が制限されるので、ヒータエレメントの過昇温が抑えられる。
【００１１】
つまり、本発明は、従来のＰＴＣ素子のみを発熱体として用いた構成とは異なり、ＰＴＣ素子を主なる発熱体としては用いず、ヒータエレメントを主なる発熱体として用いることで、発熱体の温度を従来のＰＴＣ素子を用いたエアヒータよりも高くできるので、吸気温度を高温に上げることができる。また、ＰＴＣ素子を、ヒータエレメントの過昇温を防止するための制御素子として使用しているので、制御装置を簡易化することができる。更に、発熱体としてはヒータエレメントを使用しているので、吸入抵抗（圧力損失）も小さくて済む。
【００１２】
また、本発明では、上述した構成のＰＴＣ素子部の放熱フィンが配置された両側にヒータエレメント部を配置した構成を採用するので、装置自体がコンパクトで、しかも熱効率が良いという利点がある。
請求項２の発明では、内燃機関を予熱するプリヒート後にクランキングを行なう際に、内燃機関用エアヒータへの通電を所定期間禁止しているので、クランキングスタート後における吸気加熱を効果的に行なうことができ、しかも、バッテリの回復を図ることができるので、始動性が改善する。以下、この原理について詳述する。
【００１３】
エアヒータへの通電により、一旦ＰＴＣ素子が昇温して電流が制限されると、ヒータエレメントの温度が下がっても、ＰＴＣ素子は自己発熱で高温状態を維持するので電流制限状態が持続し、ヒータエレメントに再度発熱のための電流が流れ難くなる。
【００１４】
例えば、エンジン始動時において、エアヒータが稼動する場合には、クランキング前にある程度ヒータに通電をするのが一般的に行われており（プリヒート）、このプリヒートを長くし過ぎた場合（例えば運転者がキーをスタートの位置にしたままクランキングするのを忘れていた場合）などには、前記請求項１の発明では、ＰＴＣ素子が働いてヒータエレメントが過昇温することを防止する。ところが、この様なプリヒート後にクランキングをスタートする場合には、ＰＴＣ素子が自己発熱によって電流を制限しているため、ヒータエレメントの温度は上り難く、よって吸気は充分に加熱されないことになる。
【００１５】
そこで、本発明では、この問題を回避するために、エアヒータに流す電流を、（プリヒート後に）クランキングがスタートしたときには一定期間停止し、これによって、ＰＴＣ素子の自己発熱によって電流制限状態にあることを解除している。
【００１６】
即ち、エアヒータに流す電流を一旦停止することによって、ＰＴＣ素子は自己発熱しなくなるので、吸気によって冷却される。そのため、再び通電した場合にはＰＴＣ素子の抵抗値は充分に低く、自己発熱も少なくなっている。よって、ヒータエレメントには発熱に充分な電流が流れ、吸気が加熱される状態（アフターヒート）に好適に移行することができるので、始動性が改善することになる。
【００１７】
【実施例】
本発明の内燃機関用エアヒータの実施例について、図面に基づいて説明する。
（実施例１）
図１に基本構成を示す様に、本実施例の内燃機関用エアヒータ（以下単にエアヒータと記す）は、ＰＴＣ素子部１の両側に、ヒータエレメント部３を積層配置したものであり、図の紙面に対して垂直方向に吸気が行われる。
【００１８】
前記ＰＴＣ素子部１は、ＰＴＣ素子５と、ＰＴＣ素子５の両側に配置されたＰＴＣ保持電極７と、各ＰＴＣ保持電極７の外側に配置された放熱フィン９とから構成されている。このうち、ＰＴＣ素子５は、正の温度抵抗係数を有するセラミック発熱体であり、ここでは、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）系セラミック焼結体からなる厚さ１ｍｍの板状のものを用いる。また、ＰＴＣ保持電極７は、黄銅，銅，又はアルミニウム等からなり、その一端にて外方向に折れ曲がっている。放熱フィン９は、黄銅，銅，又はアルミニウム等からなる帯状の部材が、上下の幅が１０ｍｍとなる様に蛇行して形成されたものである。
【００１９】
一方、ヒータエレメント部３は、ヒータエレメント１１（リボンヒータ）と、各ヒータエレメント１１の両側に配置されたインシュレータ１３と、インシュレータ１３の外側に配置されたブラケット１５とから構成されている。このうち、ヒータエレメント１１は、鉄・クロム合金，又はステンレス鋼からなる帯状の部材であり、上下の幅が３５ｍｍとなる様に順次平行に折曲げられたものである。また、インシュレータ１３は、アルミナ，ジルコン，又はステアタイト等のセラミックからなる電気絶縁性を備えた部材であり、ヒータエレメント１１の曲げ部１２を保持している。ブラケット１５は、亜鉛メッキ鋼板からなり、ヒータエレメント１１及びインシュレータ１３を覆うようにして保持するものである。
【００２０】
そして、各ヒータエレメント１１の一端（図の右側）は、各ＰＴＣ保持電極７に接続されており、各ヒータエレメント１１の他端（図の左側）には、図示しない電源が接続されている。
尚、ＰＴＣ素子５自体の発熱によってＰＴＣ素子５の温度が上昇してしまう条件では、ヒータエレメント１１の温度によってヒータエレメント１１の電流を制限する作用に誤差が生じるので、ヒータエレメント１１の抵抗値は以下の条件を満たす様に設定する必要が有る。本実施例のエアヒータでは、下記の式を満たすようにＰＴＣ素子５の抵抗値及びヒータエレメント１１の抵抗値を設定する。
【００２１】
（Ｖ_Ｐ ^２／Ｒ_Ｐ）＜ＰＴＣ素子からの放熱能力
Ｖ_Ｐ；ＰＴＣ素子に印加される電圧、Ｒ_Ｐ；ＰＴＣ素子の抵抗値
＜実験例＞
次に、本実施例の効果を確認するために行った実験例について説明する。
【００２２】
実験に使用する装置は、前記実施例１のエアヒータを板ばねを介して上下方向から挟んだものを使用した。そして、図２に示す様に、ヒータエレメントに定電圧電源を接続し、ブロアにて送風を行った（２．４ｍ^３／ｍｉｎ）。この場合、ヒータエレメントには、約３６Ａの電流が流れる。
【００２３】
実験条件のエアヒータの通電パターンとしては、図３（ａ）に示す様な▲１▼無風通電と、図３（ｂ）に示す様な▲２▼送風通電と、図３（ｃ）に示す様な▲３▼システム通電の３種類を選択した。
この▲１▼無風通電とは、送風を行わない状態で、ヒータ電圧を９０秒間一定としたものである。また、▲２▼送風通電とは、送風を行なう状態で、ヒータ電圧を９０秒間一定としたものである。更に、▲３▼システム通電とは、最初の３０秒間は送風を行わず、その後６０秒間は送風を行なう場合に、ヒータ電圧を一定とするが、３０〜３５秒の間の５秒間はヒータ電圧を印加しないものである。
【００２４】
そして、これらの各実験条件において、ヒータエレメントの温度（エレメント温度）や、エアヒータに流れる電流（ヒータ電流）を測定した。その結果を、図４に示す。
図４（ａ）から明かな様に、▲１▼無風通電の場合には、急速にエレメント温度が上昇し、３０秒程度経過するとエレメント温度がピークに達する。このエレメント温度の上昇に伴い、ＰＴＣ素子の温度も高くなってその抵抗が大きくなるので、ヒータ電流は急落し、それによって、エレメント温度も徐々に低下する。一方、ＰＴＣ素子がない場合は、図の点線で示す様に、エレメント温度は過度に上昇してしまう。
【００２５】
つまり、無風通電時は、ヒータエレメントからの伝達熱、及びＰＴＣ素子の自己発熱により、ＰＴＣ素子の素子抵抗が増大するので、ヒータエレメントの過昇温を抑えることができる。
図４（ｂ）から明かな様に、▲２▼送風通電の場合には、送風により冷却されてエレメント温度はあまり上昇しないので、ＰＴＣ素子の抵抗は小さいままであり、よって、ヒータ電流も大きなままである。
【００２６】
つまり、ＰＴＣ素子の自己発熱が少なく、且つヒータエレメントからの伝達熱も少なく、しかもＰＴＣ素子を保持するＰＴＣ保持電極には放熱フィンが付いているため、自己発熱やヒータエレメントからの伝達熱を放熱することができるので、ＰＴＣ素子の温度の上昇は少なく、よって、ＰＴＣ素子の抵抗増大には至らない。それにより、送風通電の場合は、従来のリボンヒータと同様の通電による加熱を行なうことができる。
【００２７】
図４（ｃ）では、通電状態は一定として送風状態のみを切り換えた場合を実線で示し、送風状態の切り換えとともに５秒間の通電カットを行った場合（▲３▼システム通電）のヒータ電流を二点鎖線で示し、通電カットの場合のエレメント温度を点線で示している。同図から明かな様に、この▲３▼システム通電の場合には、通電直後は前記▲１▼無風通電の様に、エレメント温度が急上昇し、その後、前記▲２▼送風通電の様に、エレメント温度の過度の上昇を抑制して、適度な温度に設定することができる。
【００２８】
つまり、何秒かの無風通電の後に送風通電に切り替わるシステムでは、無風で通電している間にＰＴＣ素子の抵抗値が過大となった場合には、ＰＴＣ素子にかかる電圧が増え、送風直後でも一定電力でＰＴＣ素子が発熱しようとするため、送風通電は充分に行えないが、この場合、無風通電から送風通電への切り換え時に数秒通電をストップさせて（クランキング時通電カット）ＰＴＣ素子を冷却すれば、再通電で前述と同様の送風通電が可能となる。
【００２９】
尚、始動直後に、エアヒータの数秒間の通電カットを行なう場合には、バッテリ電圧の低下が抑えられるので、スタータによる回転が上昇し、それにより、始動性が改善するという利点もある。
（実施例２）
次に、実施例２について説明する。
【００３０】
本実施例は、前記実施例１とは、内燃機関用エアヒータの構造が異なるので、異なる点のみを説明する。
図５に示す様に、本実施例のエアヒータは、ＰＴＣ素子部２１が、前記実施例１と大きく異なる。
【００３１】
つまり、ＰＴＣ素子部２１は、中央に配置された放熱フィン２３と、放熱フィンの両側に配置された導電板２５と、各導電板２５の外側に配置されたＰＴＣ素子２７と、各ＰＴＣ素子２７の外側に配置されたＰＴＣ素子保持電極２９と、各ＰＴＣ素子保持電極２９の外側に配置された放熱フィン３１と、各放熱フィン３１の外側に配置された板材３３とからなる。
【００３２】
このうち、放熱フィン２３，３１と、ＰＴＣ素子２７と、ＰＴＣ素子保持電極２９とは、前記実施例１と同様な部材から構成されているが、２層のＰＴＣ素子２５の間に放熱フィン２３が配置されている点と、一方の導電板２５がグランドに接続されている点に特徴がある。
【００３３】
本実施例によっても、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、２層のＰＴＣ素子２５及びその間に挟まれた放熱フィン２３の構成により、コンパクトにエアヒータを構成できる上、通電開始初期の電流を多く流すことができるという利点がある。
（実施例３）
次に、実施例３について説明する。
【００３４】
本実施例では、内燃機関用エアヒータの構造ではなく、その制御方法であるシステム通電に特徴があるので、この点のみを説明する。
エンジンの始動待ち時間を短くするために、電力を大きく（ヒータエレメントの抵抗を小さく）することが望ましいが、この場合、ヒータエレメントの昇温が速いので、耐久性を確保するために、例えば図６に示す様な回路構成を採用して、通常９００℃以上にならない様に、制御装置（コントローラ）でリレーをＯＦＦする必要がある。
【００３５】
ところが、バッテリー電圧、コントローラ、ヒータエレメント昇温特性等の各バラツキを考慮に入れると、図７に示す様に、リレーＯＦＦまでの時間Ｔ_Ｐの最大値（Ｔ_Ｐｍａｘ）で、耐久性の有る（即ち９００℃以上にならない）システムを設定せざるを得ない。よって、バラツキの下限側の時間（Ｔ_Ｐｍｉｎ）では充分にヒータエレメントを昇温できないことになる。
【００３６】
そこで、本実施例では、ヒータの過昇温で耐久性が劣化する恐れはないから、コントローラ側のリレーＯＦＦまでの時間Ｔ_Ｐの設定を、予め長く取っておく（即ちＴ_ｐｍａｘとする）ので、エアヒータの通電ＯＦＦまでの時間（この場合、ＰＴＣ素子による自己制御のかかるまでの時間）Ｔ_Ｐαは常に最大値となり、よって、ヒータエレメントにおける充分な昇温を行なうことができる。
【００３７】
ここで、ＰＴＣ素子による自己抑制が効いて過昇温の可能性が低いにもかかわらずリレーをＯＦＦするのは、既にエンジンが始動した状態になれば、エアヒータを加熱しても意味が無いので、無駄な電力消費をなくすためである。
（実施例４）
次に、実施例４について説明する。
【００３８】
本実施例では、内燃機関用エアヒータの構造ではなく、その回路構成に特徴があるので、この点のみを説明する。
エンジンの始動時に、エアヒータによる加熱を急速に行なうために、エアヒータに加える電力を大電力とする手法として、従来は図８（ａ）の接続が用いられていた。即ち、大電力が必要な場合は、同図で下のリレーのみを接続し、大電力を必要としない場合は、同図で上のリレーのみを接続することで供給電力を調整していた。ところが、この装置では、リレーを２個使用しなければならない。
【００３９】
そこで、本実施例では、例えば素子の保持電極に特に放熱フィンを設けない様にして、ＰＴＣ素子及びその周囲が放熱しにくい形状とし、且つヒータエレメントよりＰＴＣ素子の抵抗を小さくすれば、図８（ｂ）の接続とすることにより、予熱時のみ大電力とすることができる。それにより、リレーが一つで済むという利点がある。
【００４０】
尚、本発明は前記実施例になんら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において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
（１）例えば、エアヒータの自己制御特性を調整してインシュレータの温度が上昇しすぎない様にすれば、インシュレータとブラケットの間に耐熱樹脂等の断熱材を組み込むことができ、ヒータ効率のアップにつながる。
【００４１】
（２）また、ヒータエレメントとＰＴＣ素子の配置関係は、流路の形状、流速やインシュレータ、電極等の熱的特性により決定されるので、前記各実施例の位置関係にこだわる必要は無い。
（３）回路構成としては、図９（ａ）のＰＴＣ素子と直列に（その両側にて）ヒータエレメントを接続する構成以外に、図９（ｂ）のＰＴＣ素子に対して直列及び並列にヒータエレメントを接続する構成も採用できる。この場合、通電直後はＰＴＣ素子を通る大電流が得られ、ＰＴＣ素子の抵抗値が大となった後は、矢印の様な流れで省電力化を行うことができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上詳述した様に、請求項１の発明では、過昇温を防止できるとともに、迅速で且つ高温の放熱を実現できる。また、ＰＴＣ素子により自己制御特性があるので、制御システムを簡易化できるという効果もある。
【００４３】
また、本発明では、装置がコンパクトで、且つ熱効率がよいという利点がある。
請求項２の発明では、クランキング時に内燃機関用エアヒータの通電カットを行なうので、前記請求項１の発明の効果に加えて、クランキングスタート後の吸気加熱を好適に行なうことができ、しかも、バッテリを節約できるので、エンジンの始動性を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の内燃機関用エアヒータの基本構成を示す正面図である。
【図２】実施例１の内燃機関用エアヒータの実験装置を示す説明図である。
【図３】実施例１の内燃機関用エアヒータの実験による通電状態を示す説明図である。
【図４】実施例１の内燃機関用エアヒータの実験結果を示すグラフである。
【図５】実施例２の内燃機関用エアヒータのＰＴＣ素子部を示す正面図である。
【図６】実施例３の内燃機関用エアヒータの回路構成を示す説明図である。
【図７】実施例３の内燃機関用エアヒータの制御状態を示す説明図である。
【図８】内燃機関用エアヒータの回路構成を示し、（ａ）は従来例を示す回路図、（ｂ）は実施例４を示す回路図である。
【図９】内燃機関用エアヒータの回路構成を示し、（ａ）は実施例１の回路図、（ｂ）は他の例を示す回路図である。
【符号の説明】
１，２１…ＰＴＣ素子部３…ヒータエレメント部
５，２７…ＰＴＣ素子７，２９…ＰＴＣ素子保持電極
９，２３，３１…放熱フィン１１…ヒータエレメント
１３…インシュレータ１５…ブラケット

Claims

主なる発熱体として用いられるヒータエレメントに直列にＰＴＣ素子を接続した構成を有する内燃機関用エアヒータであって、
順次平行に曲げられた帯状の前記ヒータエレメントの曲げ部両側をインシュレータで保持したヒータエレメント部と、前記ＰＴＣ素子を放熱フィンで挟んだＰＴＣ素子部と、を備えるとともに、
前記ＰＴＣ素子部の前記放熱フィンの配置された両側に前記ヒータエレメント部を積層配置し、前記ヒータエレメントからの熱伝達によってＰＴＣ素子が加熱される構成としたことを特徴とする内燃機関用エアヒータ。
前記請求項１記載の内燃機関用エアヒータへの通電を制御する内燃機関用エアヒータの制御装置であって、
内燃機関を予熱するプリヒート後にクランキングを行なう際には、内燃機関用エアヒータへの通電を所定期間禁止することを特徴とする内燃機関用エアヒータの制御装置。