JPH0156263B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、デイーゼル機関等の内燃機関の吸気
系に流通する吸気を加熱して機関の始動性を向上
させるためのインテーク・ヒータに係り、特にセ
ラミツクでヒータを成形し、さらにこの成形した
セラミツクヒータの温度を直接検知してヒータの
印加電圧を制御することにより、ヒータを耐熱限
界近傍で使用し得るようにしたインテーク・ヒー
タの温度制御装置に関する。

〔従来技術〕

一般に内燃機関、殊にデイーゼル機関にあつて
は吸入される大気の温度が比較的低い環境（寒冷
地、寒冷時等）にあると、シリンダ内における吸
気の圧縮のみによつては自発着火を誘起すること
ができず円滑な機関始動を殆どなし得ない。

このような状況に対処するために、第１図に示
すごとく、機関１の吸気系２には、燃料が供給さ
れて吸気（図において白矢印）の一部を燃焼さ
せ、この燃焼熱により流通する吸気を加熱して機
関１の始動性を向上させるインテーク・ヒータ３
と称される始動補助装置が装着されている。

従来、この種インテーク・ヒータとしては第２
図に示すものが知られている。ニクロム線より成
る発熱抵抗体４がスチール製の金属鞘５内に挿入
され、更に金属鞘５内にマグネシウムの粉末６が
圧密に充填されている。そして、上記発熱抵抗体
４に電源７電圧を印加して金属鞘５を赤熱させ、
これに燃料を供給して蒸気化させるとともに着火
燃焼させるようにしたものである。

〔従来技術の問題点〕

しかしながら、このようなインテーク・ヒータ
３には以下のごとき問題点があつた。

(1) ヒータ本体（金属鞘５）に金属を用い、これ
に直接燃料を懸け燃焼させているので、金属の
酸化及び溶融の点から加熱のための電圧値（電
流値）が制限を受ける。

(2) しかも、発熱抵抗体４は、燃焼を維持すべく
ヒータ３の熱容量を増大させるために充填した
マグネシウムの粉末６を介して金属鞘５を間接
的に加熱することになるため、加熱時間ひいて
は着火温度に達する時間が長引き、始動時間の
短縮化を達成できなかつた。因に、大型デイー
ゼル機関では12秒以上と長かつた。

(3) 電流制限を受けるため全体の温度を十分に高
くすることができず、しかも金属鞘５自体の熱
容量が小さいので、着火がおこつてもセルモー
タを駆動して機関を始動させようとすると、そ
れに伴う吸気量及び流速の増大により、金属鞘
５は冷却されて機関始動前に失火することが多
かつた。

(4) ヒータ３製作上、金属鞘５内にマグネシウム
の粉末６を圧密に充填するため、発熱抵抗体４
のピツチが不揃いになり的確なピツチを得られ
なかつたり、鞘５内で短絡してしまう場合があ
り、構造上ヒータ３に局所加熱や加熱不足を生
じ、吸気系２内の酸素を燃やし過ぎて酸欠状態
になつたり、ヒータ３全体を十分に加熱できな
かつた。しかも、発熱抵抗体４のピツチが不揃
いゆえに一様加熱ができず、このため勢い低電
圧一定印加になり、印加電圧を変えて温度を高
温に保持するという温度制御が基本的にできな
かつた。したがつて完爆期間の長期化や失火が
起りやすく円滑な始動性が得られなかつた。

この点については、セラミツク内にタングス
テン発熱抵抗体を埋設したセラミツクヒータを
使用し、これに高電圧を印加して着火温度まで
迅速に昇温させる一方、そのヒータ温度を検知
して印加電圧をオン・オフ制御することで温度
を一定に維持することが考えられる。

しかし、これだけではヒータ温度をセラミツ
ク耐熱限界温度いつぱいまで高く維持すること
ができない。

例えば着火温度は800℃、セラミツクの耐熱
限界温度は1100℃であり、高電圧を印加するこ
とで、熱容量の大きいセラミツクを迅速に加熱
しヒータの表面温度を瞬時に着火温度800℃ま
で昇温させるとすると、セラミツクの耐熱限界
温度1100℃を突き抜ける程の急峻な昇温特性と
ならざるを得ない。加えて、ヒータの表面温度
は直接には測定できず且つ実際温度と測定温度
とには時間的遅れを伴うため、高電圧を単にオ
ン・オフ制御しただけではヒータの温度変動幅
が大きい。このため、ヒータ温度をセラミツク
の耐熱限界温度1100℃に可及的に近づけること
は困難である。

即ち、ヒータ温度は、実際には、セラミツク
の耐熱限界温度へ突入してしまい易く、セラミ
ツクに割れを生じて、タングステン線の断線を
招来し、セラミツクヒータが不良となる。ま
た、冷気または吸気に晒されたとき、急速に降
温されて着火温度を大きく割つてしまい、着火
温度への復帰に時間がかかり着火しない場合が
生じる。

〔発明の目的〕

本発明は上述した問題点に鑑みて創案されたも
のであり、その目的は、セラミツクを耐熱限界温
度近くで使用することができ、ひいては加熱時間
の大幅な短縮と始動性の可及的向上とを図ること
ができるインテーク・ヒータの温度制御装置を提
供するにある。

〔発明の構成〕

上記目的は、本発明によれば次のようにして達
成される。即ち、温度が上がると抵抗が急激に上
がる性質を有するタングステンを抵抗発熱体とし
て用い、電圧印加によつて急速加熱できるように
する。この抵抗発熱体は高耐熱性、高強度、高熱
容量を有するセラミツクから成形したヒータ本体
内に、酸素に直接触れることなく且つセラミツク
が絶縁体であることから、じかに埋め込まれてい
る。この埋込みは例えば抵抗発熱体をプリント配
線した分割型セラミツク体をホツトプレスして圧
着することにより行なわれるので、抵抗発熱体ピ
ツチの不揃いの全くないセラミツク・ヒータが形
成される。抵抗発熱体と同時に、同質材料、例え
ばタングステン−タングステンモリブデンから成
る熱電対もヒータの長手方向最高温箇所の温度を
間接的にではなく直接検知するためにプリント配
線して埋め込まれる。かかるセラミツクヒータの
形成により、始めて電圧による温度制御が高精度
で可能となる。

また、上記セラミツクヒータのタングステン発
熱抵抗体には、印加電圧切換え手段を介して、ヒ
ータを急速昇温させる高電圧と、継続印加により
ヒータ温度がセラミツクの耐熱限界温度T_L以下
で且つこれに近接した値（飽和温度T_S）に飽和
する低電圧V_Lとの２種類の電源が、交替的に印
加可能に接続される。そして、上記熱電対の検知
温度Ｔを受けこれを燃料の着火温度T_Fと比較す
る制御回路によつて、Ｔ＜T_Fのときは上記印加
電圧切換え手段が高電圧側に、Ｔ≧T_Fのときは
低電圧側に切換えられる。

これにより、インテーク・ヒータの温度は、高
電圧により極めて短時間のうちに燃料の着火温度
T_Fに達し、その後は、低電圧の印加の下で、セ
ラミツクの耐熱限界温度T_L以下で且つこれに近
接した上記飽和温度T_Sに収束維持される。この
温度は当然に着火温度T_Fよりも相当高い値であ
るので、吸気系の冷たい空気も短時間で加熱昇温
される。

但し、吸気系の冷たい空気に晒されたときは、
着火温度T_F以上に保持できず着火温度T_Fよりも
低くなるが、その直前における上記飽和温度T_S
からの降下であり、しかも着火温度T_F以上の温
度領域にあつては常に低電圧が印加されながら降
下するので、着火温度T_F以上では無電圧とした
場合に比べ、はるかにその降下勾配は緩やかであ
る。そして、着火温度T_Fより低い温度領域に入
つたときは、再び高電圧が印加される。ここでの
着火温度T_Fより低くなる落ち込み量及びその後
着火温度T_Fに立ち上がるまでの時間幅も、着火
温度T_F以上の温度領域で無電圧とした場合に比
べ僅かである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明に係るインテーク・ヒータの温度
制御装置の好適一実施例を添付図面に従つて詳細
に説明する。

第３図は本発明に採用するインテーク・ヒータ
を示す概略断面図である。

図示するごとく、ヒータ１０は棒状体に形成さ
れ、気化端１１側から燃焼端１２側に亘る筒状体
のホルダ１３に囲繞されている。このヒータ１０
は、全体がホツトプレスによりセラミツクで成形
されると共に、その内部に２つの要素がプリント
配線等により内設されて構成されている。１つは
外部より電圧を印加してこれを発熱させるタング
ステンで成る発熱抵抗体１４である。また、１つ
は常温以上の温度を測定し得る熱電対１５で、望
ましくは抵抗発熱体１４と同質、例えばタングス
テン−タングステンモリブデンから成り、且つ知
りたいのはヒータの最高温度であることからヒー
タ１０中最も高温となるべき個所にその温接点１
５ａを配したものである。セラミツクは、熱容量
が大きく発熱抵抗体１４により発生された熱をヒ
ータ１０の外周表面から放出しつつもそれ自体に
多量の熱を保持し常にヒータ１０全体を高温に維
持して安定した燃焼を継続させる機能を備えてい
る。また、このセラミツクは、発熱抵抗体１４を
その内側に保護して、急速な昇温によるタングス
テンの酸化を防止し、可及的にヒータ１０の加熱
時間を向上させ得る機能をも兼備している。他
方、タングステンは、温度上昇に伴なつて自らの
抵抗値を急激に増加させて高熱を発生し得る性質
を備えており、初期値（常温値）をかなり小さく
設定し電圧印加により熱容量の大きなセラミツク
を迅速に加熱してヒータ１０の表面温度を瞬時に
昇温させ、供給される燃料１６を蒸気化乃至着火
させ得る機能を有する。また、熱電対１５は、昇
温するヒータ１０の最高温度を、抵抗変化やこれ
を流れる電流変化で間接的に検知するのではな
く、その起電力で直接的に検知してヒータの温度
を正確に検知し得るとともに、その監視によりセ
ラミツクを耐熱限界近くで使用させ得る機能を有
する。

第４図はかかるセラミツク製のインテーク・ヒ
ータ１０の昇温特性を示すものである。断面積16
mm²、長さ60mmの直方体に成形し、室温下において
測定した例である。これによれば、ヒータ１０に
大形自動車用のバツテリ電圧24Vを印加した場合
には、僅か1.9secで燃料の着火温度T_F800℃に達
し、そのままセラミツクの耐熱限界温度T_L1100
℃を突き抜ける程の急峻な昇温特性を示すことが
わかる。一方、バツテリ電圧よりも低い9.5Vを
印加した場合には、飽和温度T_Sが986℃という耐
熱限界温度T_Lにきわめて近接した値をもち、か
つ24Vの場合と比較して緩慢な立上り特性を示
し、着火温度T_Fに至るまでに12.5secもかかる。
このようにヒータ１０を急速昇温させる電圧を高
電圧V_Hと、また継続印加しても耐熱限界温度T_L
以下でこれに近接した値に飽和させる電圧を低電
圧V_Lという。

第５図は、かかるインテーク・ヒータ１０の温
度制御装置の実施例を示す回路図である。

インテークヒータ１０に内設された発熱抵抗体
１４に、外部信号により切換自在に制御される印
加電圧切換手段１７が接続されている。この切換
手段１７の２つの接点には発熱抵抗体１４に選択
的に印加さるべき高電圧電源１８と低電圧電源１
９とが接続されている。また、同じくヒータ１０
に内設された熱電対１５は外部に設けた制御回路
２０に接続されている。この制御回路２０は増幅
器２１と比較器２２とから成り、熱電対１５によ
り得られる熱起電力を増幅器２１で増幅し、この
増幅出力を比較器２２において予め設定した所定
値V_Rと比較し、所定値よりも増幅出力が小さい
場合には上記印加電圧切換手段１７に高電圧V_H
印加信号を、また逆に増幅出力が所定値V_Rより
も大きい場合には低電圧V_L印加信号を発生する
ように構成されている。

上記所定値V_Rはインテーク・ヒータ１０に供
給される燃料の着火温度T_Fに相当する電圧値に
設定する。また、上記印加電圧切換手段１７は単
なる一実施例であるからこれに限定されるもので
はなく、例えば高電圧電源１８をバツテリーから
直接に取り出し、低電圧V_L印加信号が送出され
た場合にこれに電圧降下用の抵抗が直列に挿入さ
れるようにして低電圧電源１９を作成する構成と
することもできる。

以上の構成よりなる本制御装置の作用について
説明する。

最初に制御装置をONさせると、インテーク・
ヒータ１０の温度は低く熱電対１５の起電力も低
いので制御回路２０からは高電圧印加信号が出力
され、印加電圧切換手段１７は発熱抵抗体１４に
高電圧V_Hを印加する。この高電圧V_Hの印加によ
り、インテーク・ヒータ１０は既述のごとくタン
グステンを発熱抵抗体１４としたことにより急速
に加熱せられ、着火温度T_Fの800℃に僅か1.9〜
2.0secで達する。ヒータ１０のうちで最も高温の
部位がこの着火温度T_Fに達すると同時に熱電対
１５の起電力が比較器２２の所定値V_Rと一致す
るので制御回路２０は直ちに低電圧印加信号を発
生して印加電圧切換手段１７を切換え、インテー
ク・ヒータ１０に高電圧V_Hに代わつて低電圧V_L
を印加する。この低電圧印加は高電圧印加と異な
り吸気系の冷たい空気がこれに晒されたインテー
ク・ヒータ１０から奪う熱を完全に補給し得ない
ので着火温度T_Fを保持できず降下するも、無電
圧とした場合に比してはるかにその降下の勾配を
小さくすることができる。しかも、降下して着火
温度T_Fを切つた場合には再び制御装置が作動し
て高電圧V_H印加に切り換わるので、温度変動を
可及的に小さく抑えることができる。このよう
に、インテーク・ヒータ１０の発熱抵抗体１４に
は高電圧V_Hと低電圧V_Lとが交互に印加され、高
電圧V_HをOFFした場合にも低電圧V_Lで加熱され
ることから、インテーク・ヒータ１０の温度を着
火温度T_F以上であつてセラミツク耐熱限界温度
T_L以下のきわめて高い温度範囲内に収束維持さ
せることができる。

この場合において、ヒータ１０が着火温度に達
すると燃料が着火して燃焼しはじめるので、この
燃焼による加熱と印加電圧による発熱との２つの
熱をヒータ１０は受けることになるが、熱電対１
５の温接点１５ａが最も高温になる個所に内設さ
れており、ヒータ１０の最高温度を常に直接監視
しているので、高電圧V_H印加時、僅かの制御遅
れによるセラミツク耐熱限界温度T_Lへの突入を
有効に回避することができ、したがつてセラミツ
クを耐熱限界近くで使用することが可能となる。

このようにヒータ１０を可能な限り高温に維持
させることができるのは、ヒータ１０本体をセラ
ミツクで成形するとともにタングステンを酸化か
ら防止して不燃性を確保し、且つ熱電対１５によ
つてヒータ１０温度を直接検知させることによつ
て始めて可能となるのである。

〔発明の効果〕

以上、要するに本発明によれば次のような優れ
た効果を発揮する。

(1) インテーク・ヒータの温度を、高電圧により
極めて短時間のうちに燃料の着火温度まで立ち
上げることができる。

また、その後は、低電圧に切換えられて、ヒ
ータ温度がセラミツクの耐熱限界温度に突入す
るのが防止され、この低電圧の印加の下で、セ
ラミツクの耐熱限界温度に近接した飽和温度に
収束維持される。このため、セラミツクに割れ
が生じて発熱抵抗体が断線する事故が防止され
ると共に、着火温度より高温のインテーク・ヒ
ータにより吸気が加熱され、その加熱時間の大
幅な短縮と始動性の可及的向上とが図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図はインテーク・ヒータの取付位置を示す
機関の概略図、第２図は従来のインテーク・ヒー
タの概略断面図、第３図乃至第５図は本発明の好
適一実施例を示すもので、第３図はインテーク・
ヒータの概略断面図、第４図は同昇温特性図、第
５図はインテーク・ヒータの温度制御装置の回路
図である。 なお、図中１は内燃機関、２は吸気系、１０は
インテーク・ヒータ、１４は発熱抵抗体、１５は
熱電対、１６は燃料、１７は印加電圧切換手段、
２０は制御回路、V_Hは高電圧、V_Lは低電圧であ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 機関吸気系に設けたインテーク・ヒータを、
   セラミツク中にタングステン発熱抵抗体を埋設す
   ると共に熱電対をヒータ長手方向の最高温箇所に
   埋設して構成し、 該ヒータに、印加電圧切換え手段を介して、ヒ
   ータを急速昇温させる高電圧と、継続印加すると
   ヒータ温度がセラミツクの耐熱限界温度以下で且
   つこれに近接した値に飽和する低電圧とを交替的
   に印加可能に電源に接続し、 上記熱電対の検知温度Ｔを受けこれを燃料の着
   火温度T_Fと比較して、Ｔ＜T_Fのときは上記印加
   電圧切換え手段を高電圧側に、Ｔ≧T_Fのときは
   低電圧側に切換える制御回路を備えたことを特徴
   とするインテーク・ヒータの温度制御装置。