JPH0156264B2 - - 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形成した場合において、ヒー
タの昇温特性が電圧印加のみのときに、これに燃
焼が加わつたときとで大きく異なることからこれ
を補正して、ヒータを過度なヒートストレスから
保護しう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。

〔発明の技術的背景及びその問題点〕

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。

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。

そこで、本発明者は上述の問題点を解決すべく
ヒータ全体をセラミツクで形成するとともに、そ
のヒータ内にタングステンの発熱抵抗体を内設
し、さらにこのヒータ温度を検出して印加電圧を
制御する方式によるインテーク・ヒータの温度制
御装置（特願昭57−191120、特開昭59−82561号）
を創案するに到つた。この温度制御装置において
は、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発熱抵抗体として用い、これ
を高耐熱性、高強度、高熱容量を有するセラミツ
ク中に埋め込んでインテーク・ヒータを形成す
る。抵抗発熱体の埋込みはホツトプレスによる圧
着方式の採用によりプリント配線で行なうことが
できるので、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。かかるヒー
タの形成により、はじめて電圧による温度制御が
可能となる。

そして、上記温度制御装置において、ヒータは
吸気を効率よく加熱するために複数本並列接続す
るように成し、このヒータに高電圧と低電圧とが
切換え可能に印加されるように電源を接続し、電
圧制御回路によつて上記両電圧を交互に切換え制
御する。この切換え制御は、電圧印加により昇温
するヒータの温度を検知すべく設けたヒータ温度
検知素子の監視下において行なわれる。ヒータ温
度検知素子はこれに連らなる回路とともに、ヒー
タ温度が燃料の着火温度に達する前は電圧制御回
路に高電圧印加指令を、着火温度に達すると直ち
に低電圧印加指令を送出する機能を有する。高電
圧とはその印加によつてもたらされる飽和温度が
セラミツクの耐熱限界温度を越えるに十分な電
圧、例えば大型自動車用バツテリの24Vをいう。
また低電圧とはその印加によつてもたらされるヒ
ータの飽和温度がセラミツクの耐熱限界温度に近
接し得る値、例えば9.5Vをいう。電圧制御回路
は上記指令を受けてインテーク・ヒータに始めに
高電圧を印加してヒータを急速昇温させるととも
に、続いて低電圧、高電圧というように印加電圧
を切換える機能を有する。したがつて、ヒータは
その温度検知素子の出力値に応じて高電圧と低電
圧とが交互に印加され、セラミツクの耐熱性を満
足しつつさらに着火温度も満足する一定の高温を
維持することができる。

しかしながら、このような急速昇温（始動時間
の短縮）を意図した上記インテーク・ヒータの温
度制御装置には次のような問題があることが判明
した。

上記ヒータ温度検出素子はインテーク・ヒータ
の温度を直接検出するのではなく、発熱抵抗体の
値が温度と相関関係があることから、発熱抵抗体
の両端に生じる電圧降下を検知することにより間
接的にヒータ温度を知るようにしたものである。
したがつて、電圧印加による昇温特性を予め求め
ておいて、これに合わせて電圧印加指令を送出す
るように電圧制御回路を設定してある。ところ
が、急速昇温時には全く問題がないのに、いざ燃
焼が始まると多くのヒータが相次いで破壊・断線
した。この原因を追求したところ、インテーク・
ヒータは燃焼時には異なる昇温特性を示すことが
わかつた。すなわち、電圧印加のみの昇温特性に
比して、これに更に燃焼による外部からの熱が加
わつた場合には、より低い電圧で望む着火温度に
達するシフトした特性を呈するのである。このた
め、当初設定した電圧制御回路の基準電圧値で
は、燃焼時に、更に高い温度に達しておりセラミ
ツクの耐熱限界温度を越えたところで制御がなさ
れ、もつて破損していたのである。

〔発明の目的〕

そこで本発明の目的は、ヒータ全体をセラミツ
クで形成するとともに、そのヒータ内にタングス
テンの発熱抵抗体を内設し、さらにこのヒータ温
度を検知して印加電圧を制御することにより、セ
ラミツクを耐熱限界温度近くで使用するようにし
た温度制御装置において、ヒータに印加電圧に加
えて燃焼による加熱が重なつたときの昇温特性変
位を補正して、より正確なヒータ温度を検知しヒ
ータを過度なヒートストレスによつて生じる破壊
から防止し、もつて円滑な始動性を確保すること
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、インテーク・ヒータを急速昇温
させるとともに高温保持させるための印加電圧切
換手段が設けられ、ヒータの発熱抵抗体に高電圧
と低電圧とを交互に印加させるようにしてある。
この電圧印加によつて発熱抵抗体に生じる電位を
検知するための２個の比較器を設けるとともに、
この各比較器の基準電位はヒータの加熱原因が電
圧印加のみによる場合と、これに燃焼による発熱
が加わる場合とで、ヒータの昇温特性が異なると
ころから、大小異なる値に設定してある。ヒータ
に供給される燃料が着火・燃焼したか否かを判別
するための炎検知素子をヒータの近傍に設け、こ
の検知素子出力を受けて二者択一する切換スイツ
チが開閉して、着火燃焼中にあつては上記２つの
比較器のうちから小さい基準電位を設定した比較
器出力を選択するようにしてある。そして、この
選択された比較器出力によつて上記印加電圧切換
手段を切換え制御し、正確なヒータの温度制御を
成し得るように構成したものである。

〔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。説明に当つて先ず、本発明の前提と
なるセラミツクインテーク・ヒータの構造及びこ
のヒータの電圧制御装置について述べ、次いで温
度制御装置に言及していくこととする。

第３図は、本発明の前提となるインテーク・ヒ
ータの一実施例を示す概略構成図である。

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側に亘る筒体状
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、その内部にプリント配線等により
タングステンで成る発熱抵抗体１４が内設されて
構成される。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、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１５を蒸気化乃至着火させ得
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_L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の電
圧制御装置の基本回路図である。

インテーク・ヒータ１０に内設された発熱抵抗
体１４とセンシング抵抗Ｓ／Ｒとの直列回路に、
制御信号により切換自在に制御される印加電圧切
換手段１６が接続されている。この切換手段１６
の２つの接点には高電圧電源１７と高電圧電源１
８とが接続されており、センシング抵抗Ｓ／Ｒを
介して発熱抵抗体１４に高電圧V_Hと低電圧V_Lと
を選択的に印加するようになつている。上記制御
信号はセンシング抵抗Ｓ／Ｒと発熱抵抗体１４と
の接続点から取り出した発熱抵抗体１４の電位に
基づいてON・OFFする比較器１９によつて形成
される。比較器１９の基準電位はインテーク・ヒ
ータ１０の温度と発熱抵抗体１４の値とが相関を
有することから、ヒータ温度が燃料着火温度T_F
の800℃にあるときに示すセンシング抵抗Ｓ／Ｒ
と発熱抵抗体１４との分圧値と等しくなるように
抵抗分割R₁，R₂で予め設定する。分圧値はセン
シング抵抗Ｓ／Ｒと発熱抵抗体１４との直列回路
に印加される電圧によつて異なるので、基準電位
を正規化するために抵抗分割R₁，R₂に供給する
電源を同じく上記直列回路に印加される電圧から
取り、この電圧と基準電位とが比例するようにす
る。比較器１９はこの入力に供給される発熱抵抗
体１４の電位が上記基準電位よりも低いときは印
加電圧切換手段１６に高電圧印加指令を、また基
準電位より高いときは低電圧印加指令を出力する
ように構成されている。

このようにして、発熱抵抗体１４の電位に応じ
てインテーク・ヒータ１０を一定温度に加熱すべ
く高電圧V_Hと低電圧V_Lとを交互に印加した場合、
急速昇温並びに高温維持が可能となるが、燃焼が
始まると発熱抵抗体１４が破壊・断線して温度制
御ができなくなる。これは、第６図に示すよう
に、発熱抵抗体１４の抵抗特性がインテーク・ヒ
ータ１０を昇温させる加熱条件によつて異なるか
らである。即ち、特性Ａはインテーク・ヒータ１
０の加熱条件が発熱抵抗体１４に印加する電圧の
みによる場合、特性Ｂは電圧印加に加えてヒータ
１０表面で燃焼による発熱が重なつた場合のヒー
タ温度に対する発熱抵抗体１４の抵抗変化であ
る。したがつて、特性Ａに基づいて着火温度T_F
の800℃に相当する電圧V₀に基準電位を設定する
と、燃焼が始まると特性Ｂにシフトすることにな
るから、インテーク・ヒータ１０は耐熱限界温度
T_Lを越えて崩壊してしまうからである。

そこで本発明では、上述したように発熱抵抗体
１４の電位と比較する基準電位を加熱条件で異な
らせることにより、制御信号を補正しより正確な
ヒータ温度を検知してヒータ１０の好ましい温度
制御が行なえるようにしたものである。この基準
電位を加熱条件で異ならせる手段として第７図に
好適実施例を掲げる。基準電位の異なる２個の比
較器１９Ａ，１９Ｂが設けられ、これらの入力は
共通してセンシング抵抗Ｓ／Ｒと発熱抵抗体１４
との接続点に接続されている。一方の比較器１９
Ａの基準電位は他方の比較器１９Ｂの基準電位よ
りも高く設定してある。双方の比較器１９出力に
は切換信号によつていずれかの出力を選択的に取
り出す切換スイツチ２０が接続されている。この
切換スイツチ２０に供給される切換信号は、イン
テーク・ヒータ１０の近傍に取り付けられ、ヒー
タ１０に供給される燃料が燃焼したとき流れる炎
電流を検知するフレーム・ロツド２１により形成
され、増幅器２２にて増幅されて成り、炎電流を
検知すると基準電位を低く設定してある他方の比
較器１９Ｂを選択するように構成されている。

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の温度は低いから炎電流は検知されず
フレーム・ロツド２１は切換スイツチ２０に一方
の比較器１９Ａを選択させる。と同時に発熱抵抗
体１４の電位も低いから選択された一方の比較器
１９Ａからは高電圧印加指令が出力され、印加電
圧切換手段１６はセンシング抵抗Ｓ／Ｒと発熱抵
抗体１４との直列回路に高電圧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がこの着火温度T_Fに達すると発熱抵抗体１
４の電位が一方の比較器１９Ａの基準電位と一致
するのでこの比較器１９Ａは直ちに低電圧印加指
令を発生して印加電圧切換手段１６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選択さ
れている一方の比較器１９Ａ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、燃料がヒータ１０に供給さ
れると燃料は直ちに着火燃焼を始め、この燃焼が
フレーム・ロツド２１に検知され切換スイツチ２
０の接点を基準電位を低く設定した他方の比較器
１９Ｂに切換えられる。したがつて、接続点から
取り出した発熱抵抗体１４の電位がＢ特性におけ
る着火温度T_Fに相当する電位を基準として比較
判断されることになる。この他方の比較器１９Ｂ
からは適切な指令が印加電圧切換手段１６に供給
されるので、インテーク・ヒータ１０に過度なヒ
ートストレスを加えがちな高電圧V_Hの印加が規
制され、着火燃焼前と比較して低電圧V_Lの印加
時間の方が長くなる。従つて、着火燃焼中であつ
ても、着火燃焼前と同様にインテーク・ヒータ１
０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。

このようにヒータ１０を破壊することなしに可
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、
且つ加熱条件によつて制御信号を補正することに
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) 発熱抵抗体にタングステンを使用し、絶縁物
であるセラミツクに直かに且つ外気と遮断して
埋め込んだことにより、急速昇温及び高温維持
が可能である。また、ヒータをセラミツクとし
たことによりホツトプレス成形ができるので抵
抗発熱体をプリント配線とすることができ、ヒ
ータの一様加熱が行なえるので、印加電圧制御
による温度制御が可能となる。

(2) ヒータに内設した発熱抵抗体の電位を検知す
ることにより間接的にヒータ温度を監視して、
この監視下で高電圧と低電圧とを交互に印加制
御するようにしたので、ヒータを温度変動が少
ない一定の高温度範囲に維持することができ
る。また、ヒータに印加電圧に加えて着火燃焼
による加熱が重なつたときの昇温特性変位を補
正することにより、より正確なヒータ温度を検
知しヒータを過度なヒートストレスから保護し
て、間接温度検出制御による最大の欠陥であつ
たヒータの損壊についても解決し、直接検知と
同程度の精度ある温度制御をセラミツクの耐熱
限界温度近くで行なうことができる。したがつ
て、燃焼が確実で良好な吸気加熱がおこなえる
ので、機関の始動性が可及的に向上する。

【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７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原型
回路図、第６図はインテーク・ヒータの抵抗・温
度特性図、第７図はインテーク・ヒータの温度制
御装置である。 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
燃料、１６は印加電圧切換手段、１９Ａは一方の
比較器、１９Ｂは他方の比較器、２０は切換スイ
ツチ、V_Hは高電圧、V_Lは低電圧である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ヒータを電圧印加により発熱させ、その発熱
   によりヒータに供給される燃料を着火させて、内
   燃機関の吸気系に流通する吸気を加熱するように
   したインテーク・ヒータにおいて、上記ヒータを
   セラミツクで成形するとともに、該ヒータ内にタ
   ングステンで成る発熱抵抗体を内設し、該発熱抵
   抗体とセンシング抵抗体との直列回路に低電圧と
   高電圧とを選択的に印加させるための印加電圧切
   換手段を設け、上記発熱抵抗体の電位を上記直列
   回路の印加電圧に比例する大小の異なる基準電位
   と比較し、それらの個々の比較結果を上記印加電
   圧切換手段に対する低電圧と高電圧の印加切換制
   御信号として出力する２個の比較器と、ヒータに
   供給される燃料が着火燃焼したか否かを判別する
   ためヒータの近傍に位置させた炎検知素子と、該
   炎検知素子からの出力を受けて上記２個の比較器
   のうち、燃料の着火燃焼前は上記大きな基準電位
   の比較器を選択してその比較結果を上記印加電圧
   切換手段に入力すると共に、燃料の着火燃焼中は
   上記小さな基準電位を設定した比較器を選択して
   その比較結果を上記印加電圧切換手段に入力する
   切換スイツチとを設けたことを特徴とするインテ
   ーク・ヒータの温度制御装置。