JPH0814122A - エンジンの吸気加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ヒータを大型化することなく加熱表面積を増
大させて吸気加熱レスポンスを向上させ、且つ、設置の
自由度を向上する。 【構成】 非磁性体からなる吸気管２の内部に、磁性体
からなる吸気加熱用ヒータ３が装着され、この吸気加熱
用ヒータ３が装着される吸気管２の外周に、絶縁した誘
導コイル４が巻かれ、この誘導コイル４外周全体が、高
透磁率の材料からなる円筒状の磁路部材５によって覆わ
れている。そして、コントローラ６によって前記誘導コ
イル４に高周波電流を通電すると、交番磁界が発生し、
渦電流損によるジュール熱で吸気加熱用ヒータ３が発熱
する。これにより、従来の抵抗式ヒータに比較し、ヒー
タを大型化することなく加熱表面積を増大させ加熱レス
ポンスを向上させることができる。しかも、吸気加熱用
ヒータ３の形状の自由度が大きいため、取り付け位置の
自由度が大きくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エンジンの吸入空気を
加熱するエンジンの吸気加熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、エンジンの冷態始動時や暖機運転
中の燃料霧化を促進し、排気エミッションの悪化を防止
するため、ヒータを用いてエンジンの吸入空気を加熱す
るシステムがあり、例えば、特開平３−１１４１６７号
公報、特開昭６３−５８７８３号公報等に、電気抵抗材
を曲げ蛇行状とした電熱式の発熱体からなるヒータが開
示されている。さらに、特開昭５８−４７１５２公報に
は、多数の貫通孔を有するプレート状のセラミックヒー
タを複数枚、相互に間隙をおいて積層状に配設したもの
が開示されている。

【０００３】これらの先行技術に開示されているような
従来の抵抗式ヒータによる吸気加熱では、図７に示すよ
うに、スロットルバルブ５２の下流側で吸気管５０に介
装された電熱ヒータ５３により、エアクリーナ５１を介
して吸入される空気を加熱するようになっており、前記
電熱ヒータ５３には、高温での耐酸化性及び耐久性に優
れた材料、例えば、鉄−クロム系の電熱材等が使用され
る。

【０００４】前記電熱ヒータ５３のヒータエレメント５
４は、図８に示すように、セラミックス製のインシュレ
ータ５５を介してアルミニウム合金等からなるケース５
６に保持・収納されており、前記ヒータエレメント５４
の両端が、前記ケース５６と絶縁された各給電用端子５
７，５７に接続されている。

【０００５】そして、図９に示すように、エンジン始動
時にスタータスイッチ５８に連動して動作するヒータリ
レー５９を介してバッテリ６０から前記ヒータエレメン
ト５４に通電され、前記ヒータエレメント５４が発熱し
て吸入空気を加熱するようになっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、抵抗式ヒー
タでは、ヒータの発熱量と放熱量とのバランスが重要な
要素となり、放熱表面積が大きい方がヒータ出力を大き
くして発熱量を増大させることができ、暖機応答性を向
上することができる。

【０００７】しかしながら、放熱表面積を増大させよう
とすればヒータ自体が大きくなり、限られた寸法内に取
り付けることが困難となるばかりでなく、吸入空気に対
する流れ抵抗の増大を招くことにもなる。

【０００８】また、加熱温度を高めると、より高温に耐
えうるヒータ用材料、及び、これを保持するインシュレ
ータ用材料等の選択が制限され、また、ヒータを固定す
るためのケースの取り付け箇所も制限される。従って、
艤装が不適切であるとヒータで発生した熱がインシュレ
ータを通してケースに流れ、加熱効率が低下するおそれ
がある。

【０００９】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、ヒータを大型化することなく加熱表面積を増大させ
て加熱レスポンスを向上させ、且つ、設置の自由度を向
上することのできるエンジンの吸気加熱装置を提供する
ことを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、エンジンの吸
気管内に配設され、吸入空気を加熱するための磁性体か
らなる吸気加熱用ヒータと、前記吸気加熱用ヒータを透
過する磁束を発生するための誘導コイルと、前記誘導コ
イルに高周波電流を通電し、交番磁界を発生させるため
の制御手段とを備えたものである。

【００１１】

【作用】本発明では、誘導コイルに高周波電流を通電し
て交番磁界を発生させ、エンジンの吸気管内に配設され
た磁性体からなる吸気加熱用ヒータに磁束を透過させて
発熱させることにより、吸入空気を加熱する。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１〜図５は本発明の第１実施例に係り、図１は
吸気加熱装置の全体構成図、図２は電磁誘導加熱の基本
原理を示す説明図、図３は誘導コイルへ高周波電流を通
電するための基本構成を示す説明図、図４はコントロー
ラの構成例を示す回路図、図５は発振出力及びＦ／Ｆ出
力の波形図である。

【００１３】図１において、符号１は、自動車等の車輌
のエンジン（図示せず）の吸入空気を加熱する吸気加熱
装置であり、アルミニウム合金等の非磁性体からなる吸
気管２の内部に、吸入空気を加熱するための磁性体から
なる吸気加熱用ヒータ３が装着されている。この吸気加
熱用ヒータ３は、通過空気に対する吸入抵抗がより小さ
くなるように形成されている。

【００１４】また、前記吸気加熱用ヒータ３が装着され
る前記吸気管２の外周には、絶縁した誘導コイル４が巻
回されており、この誘導コイル４の外周全体が、高透磁
率の材料からなる円筒状の磁路部材５によって覆われ、
前記誘導コイル４に、高周波電流を通電し、交番磁界を
発生させるための制御手段としてのコントローラ６が接
続されている。

【００１５】すなわち、図２に示すように、前記誘導コ
イル４に高周波電流を通電して交番磁界を発生させる
と、磁性体からなる吸気加熱用ヒータ３に渦電流損及び
ヒステリシス損（但し、ヒステリシス損は極く小さいた
め無視できる）が発生する。その結果、主として渦電流
が前記吸気加熱用ヒータ３を形成する材料の内部抵抗に
よってジュール熱に変換され、前記吸気加熱用ヒータ３
が発熱する。

【００１６】このように、電磁誘導により前記吸気加熱
用ヒータ３を加熱し、この吸気加熱用ヒータ３を通過す
る空気を加熱するため、前記吸気加熱用ヒータ３は、金
網を丸めて所定の形状に成形することにより、加熱表面
積を大きくして空気通路を確保した形状、あるいは、細
線材を所定の長さに切断し、これを不規則に束ねて所定
の形状に成形することにより、加熱表面積を大きくして
空気通路を確保した形状等のように、必ずしも均一な形
状でなくとも良く、電熱式ヒータのように、相互に相間
絶縁を必要としない。

【００１７】この場合、磁性体からなる前記吸気加熱用
ヒータ３としては、鉄系の材料で表皮抵抗の比較的大き
い材料が用いられ（但し、ステンレス鋼の一部には、電
気抵抗が比較的小さいため誘導加熱に適さないものもあ
る）、前記誘導コイル３に通電する高周波電流の周波数
を適宜設定することにより加熱深さを制御し、前記吸気
加熱用ヒータ３内の空気通路表面付近が加熱されるよう
にする。

【００１８】すなわち、本吸気加熱装置１では、従来の
抵抗式ヒータに比較し、ヒータを大型化することなく加
熱表面積を増大させることができ、放熱が良好で加熱レ
スポンスを向上させることができる。しかも、吸気加熱
用ヒータ３の形状の自由度が大きいため、取り付け位置
の自由度が大きくなり、また、吸気管２内部に設置され
た吸気加熱用ヒータ３に対して給電用の端子がないた
め、給電用端子と吸気管２との間のシールの心配がな
く、信頼性を向上することができる。

【００１９】一方、前記誘導コイル４の外周に設けられ
た前記磁路部材５は、例えば珪素鋼板等のように高透磁
率で鉄損の小さい材料が用いられ、電磁誘導加熱の際
に、外部空間への漏れ磁束を低減して前記吸気加熱用ヒ
ータ３に磁束を集中させ、加熱効率を向上するようにな
っている。

【００２０】前記誘導コイル４に高周波電流を通電する
には、図３に示すように、インバータ７を使用する。す
なわち、前記誘導コイル４は、回路的に等価コイルＬ0
と等価抵抗Ｒ0とに変換することができ、前記誘導コイ
ル４に共振用のコンデンサ８を接続してＲＬＣ直列回路
を構成する。そして、このＲＬＣ回路に、前記インバー
タ７でバッテリ９からの直流電圧を交流電圧に変換して
印加し、共振を起こさせて交番磁界を発生させるのであ
る。この場合、前記共振用コンデンサ８の容量をＣ0と
すると、前記誘導コイル４の共振周波数ｆ0は、近似的
に以下の式で示すことができ、この共振周波数ｆ0が前
記吸気加熱用ヒータ３の空気通路表面を加熱するような
浸透深さとなるよう、各回路定数が設定される。

【００２１】ｆ0＝１／（２π（Ｌ0Ｃ0）^1/2） 前記コントローラ６は、前記インバータ７の機能を有
し、前記誘導コイル４へ通電する高周波電流を制御する
ものであり、図４に具体的回路例が示される。この回路
例では、前記コントローラ６は、発振回路部１０、イン
バータ制御回路部１１、制御指示回路部１２、及び、イ
ンバータ回路部１３を備えている。

【００２２】前記発振回路部１０は、ゲート素子による
発振回路であり、２入力アンドゲ−ト１４及び２入力ナ
ンドゲート１５の各入力端子をそれぞれ１入力にまと
め、前記アンドゲ−ト１４の出力端を抵抗（可変抵抗）
Ｒ１及びコンデンサＣ１からなる積分回路を介して前記
ナンドゲート１５の入力端に接続するとともに、前記ナ
ンドゲート１５の出力端を前記アンドゲ−ト１４の入力
端に接続している。前記抵抗Ｒ１には、ダイオードＤ１
が並列に接続されている。

【００２３】前記インバータ制御回路部１１は、フリッ
プフロップ（Ｆ／Ｆ）１６と４個の２入力アンドゲ−ト
１７〜２０とから構成され、前記発振回路部１０のナン
ドゲート１５からの出力が前記フリップフロップ１６に
入力される。前記フリップフロップ１６は、反転出力
（−Ｑ出力）端が各アンドゲ−ト１７，２０の一方の入
力端に接続され、非反転出力（Ｑ出力）端が各アンドゲ
−ト１８，１９の一方の入力端に接続されている。そし
て、各アンドゲ−ト１７，１８，１９，２０のもう一方
の入力端が全て共通に接続され、以下の制御指示回路部
１２に接続されている。

【００２４】前記制御指示回路部１２は、共通に接続さ
れる前記各アンドゲ−ト１７〜２０の入力端に、抵抗Ｒ
２を介してスイッチ２１の一端が接続されるともに、ダ
イオードＤ２のカソードが接続され、また、前記ダイオ
ードＤ２のアノードが接地されるとともに、前記スイッ
チ２１の他端が、図示しない電圧信号源に接続されてい
る。

【００２５】そして、前記スイッチ２１がＯＦＦのとき
には、各アンドゲ−ト１７〜２０の一方の各入力端をロ
ーレベルとして全てのアンドゲ−ト１７〜２０の出力を
ローレベルに保つことによりインバータ停止状態とし、
前記スイッチ２１がＯＮされたとき、ハイレベルの電圧
信号を各アンドゲ−ト１７〜２０の一方の各入力端に印
加し、前記フリップフロップ１６からの信号を各アンド
ゲ−ト１７〜２０を介して前記インバータ回路部１３に
出力可とする。

【００２６】前記インバータ回路部１３は、４個のＮＰ
Ｎ型トランジスタ２２〜２５を用いたブリッジ型インバ
ータであり、前記発振回路部１０から前記インバータ制
御回路部１１を経て入力される発振信号によって各出力
トランジスタ２２〜２５が駆動されるようになってい
る。すなわち、トランジスタ２２にトランジスタ２３が
直列接続され、これらのトランジスタ２２，２３の各ベ
ースに、前記インバータ制御回路部１１のアンドゲ−ト
１７，１８の各出力端がそれぞれ接続され、また、トラ
ンジスタ２４にトランジスタ２５が直列接続され、これ
らのトランジスタ２４，２５の各ベースに、前記インバ
ータ制御回路部１１のアンドゲ−ト１９，２０の各出力
端がそれぞれ接続されている。

【００２７】そして、上段の各トランジスタ２２，２４
のコレクタが前記バッテリ９の正極側に接続されるとと
もに、下段の各トランジスタ２３，２５のエミッタが前
記バッテリ９の負極側に接続され、トランジスタ２２の
エミッタ及びトランジスタ２３のコレクタの接続点と、
トランジスタ２４のエミッタ及びトランジスタ２５のコ
レクタの接続点との間に、共振用のコンデンサＣ２及び
前記誘導コイル４が接続されている。

【００２８】以上の構成による吸気加熱装置１では、コ
ントローラ６の制御指示回路部１２に設けられたスイッ
チ２１がＯＦＦの状態では、インバータ制御回路部１１
の各アンドゲ−ト１７〜２０の一方の入力側が全てロー
レベルであり、従って各アンドゲ−ト１７〜２０の出力
が全てローレベルとなり、インバータ回路部１３の各ト
ランジスタ２２〜２５が全てＯＦＦしてインバータ停止
状態で誘導コイル４には電流が流れない。

【００２９】ここで、エンジン始動時等のように吸入空
気を加熱する必要のあるとき、コントローラ６のスイッ
チ２１をＯＮにすると、インバータ制御回路部１１の各
アンドゲ−ト１７〜２０の一方の入力側が全てハイレベ
ルになり、インバータ回路部１３を作動状態とする。

【００３０】この場合、発振回路部１０では、アンドゲ
−ト１４とナンドゲート１５との間の抵抗Ｒ１及びコン
デンサＣ１による信号伝達時間の遅延により発振し、そ
の発振出力がインバータ制御回路部１１に入力される。

【００３１】すなわち、ナンドゲート１５の出力がハイ
レベルになった場合、アンドゲ−ト１４を介してナンド
ゲート１５の入力側に戻される信号は、コンデンサＣ１
の充電により直ちにはハイレベルに到達せず、抵抗Ｒ１
とコンデンサＣ１とによって定まる時間が経過した後に
ハイレベルとなる。

【００３２】そして、このハイレベルの信号入力によ
り、ナンドゲート１５の出力が反転してローレベルにな
ると、同様に、このローレベルの信号がアンドゲ−ト１
４を介してナンドゲート１５の入力側に戻されることに
なるが、この場合も、コンデンサＣ１の放電時間によ
り、ナンドゲート１５の入力側が直ちにローレベルにな
ることはなく、コンデンサＣ１の放電時間が経過した後
にローレベルとなり、ナンドゲート１５の出力がハイレ
ベルとなり、図５に示すような矩形波の発振出力が得ら
れる。

【００３３】前記発振回路部１０における発振周波数
は、可変抵抗である抵抗Ｒ１により、誘導コイル４の共
振周波数の２倍の周波数２ｆとなるよう予め調整されて
おり、インバータ制御回路部１１のフリップフロップ１
６によって周波数ｆに分周される。このフリップフロッ
プ１６は、例えばＪ−ＫフリップフロップやＲ−Ｓフリ
ップフロップを使用したトグルフリップフロップであ
り、図５に示すように、前記ナンドゲート１５からの発
振信号の立ち上がり毎に、Ｑ出力及び−Ｑ出力が反転
し、発振回路部１０からの周波数２ｆの信号がフリップ
フロップ１６に入力されると、互いに逆位相の周波数ｆ
の２つの信号に分周されてＱ出力端と−Ｑ出力端とから
出力され、各アンドゲ−ト１７〜２０を経由してインバ
ータ回路部１３の各トランジスタ２２〜２５のベースに
供給される。

【００３４】すると、インバータ回路部１３では、トラ
ンジスタ２２及びトランジスタ２５がペアになって駆動
され、また、これと逆位相でトランジスタ２４及びトラ
ンジスタ２３がペアになって駆動される。その結果、誘
導コイル４に周波数ｆの高周波電流が流れて交番磁界が
発生し、主として磁性体である吸気加熱用ヒータ３に発
生する渦電流によるジュール熱のため、前記吸気加熱用
ヒータ３が発熱し、この吸気加熱用ヒータ３を通過する
空気が加熱される。

【００３５】その後、吸入空気の加熱が不要となったと
き、例えば、エンジンの暖機が完了して排気ガスを浄化
する触媒が十分に活性化したとき等には、前記制御指示
回路部１２のスイッチを２１をＯＦＦにすることにより
インバータを停止させ、吸入空気の加熱を停止すること
ができる。

【００３６】尚、前記制御指示回路部１２への電圧信号
源として、例えば、触媒温度を検出する温度センサから
の電圧入力と所定の基準電圧入力とを比較するコンパレ
ータの出力側を接続し、触媒温度が活性化温度より低い
ときにはハイレベル、触媒温度が活性化温度以上のとき
ローレベルの信号が前記インバータ制御回路部１１に入
力されるよう構成することにより、スイッチ２１を省略
し、触媒温度に応じて吸入空気を自動的に加熱するよう
にすることも可能である。

【００３７】図６は本発明の第２実施例に係り、吸気加
熱装置の全体構成図である。

【００３８】本実施例の吸気加熱装置３０は、図６に示
すように、前述の第１実施例と同様の磁性体からなる吸
気加熱用ヒータ３１の外周部に、絶縁した誘導コイル３
２を巻回し、この誘導コイルの外部と吸気管２の内壁部
分との間に珪素鋼板等の高透磁率の材料からなる円筒状
の磁路部材３３を挿入して漏れ磁束を低減するものであ
り、前記誘導コイル３２に第１実施例のコントローラ６
が接続される。

【００３９】本実施例においても、前述の第１実施例と
同様、ヒータを大型化することなく加熱表面積を増大さ
せることができ、良好な放熱性及び加熱レスポンスが得
られ、取り付け位置の自由度が大きくなる。さらに、吸
気管２を、例えば耐熱性樹脂等で形成することにより、
吸気加熱用ヒータ３１に効果的且つ効率的に磁束を集中
させることができ、より加熱効率を向上することができ
る。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、誘
導コイルに高周波電流を通電して交番磁界を発生させ、
エンジンの吸気管内に配設された磁性体からなる吸気加
熱用ヒータに磁束を透過させて発熱させることにより、
吸入空気を加熱するため、ヒータを大型化することなく
加熱表面積を増大させて加熱レスポンスを向上させ、且
つ、設置の自由度を向上することができる等優れた効果
が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１〜図５は本発明の第１実施例に係り、図１
は吸気加熱装置の全体構成図

【図２】電磁誘導加熱の基本原理を示す説明図

【図３】誘導コイルへ高周波電流を通電するための基本
構成を示す説明図

【図４】コントローラの構成例を示す回路図

【図５】発振出力及びＦ／Ｆ出力の波形図

【図６】本発明の第２実施例に係り、吸気加熱装置の全
体構成図

【図７】図７〜図９は従来例に係り、図７は吸気管に装
着したヒータを示す説明図

【図８】ヒータの構成図

【図９】バッテリとヒータとの接続を示す結線図

【符号の説明】

２ 吸気管 ３ 吸気加熱用ヒータ ４ 誘導コイル ６ コントローラ（制御手段）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エンジンの吸気管(2)内に配設され、吸
   入空気を加熱するための磁性体からなる吸気加熱用ヒー
   タ(3)と、 前記吸気加熱用ヒータ(3)を透過する磁束を発生するた
   めの誘導コイル(4)と、 前記誘導コイル(4)に高周波電流を通電し、交番磁界を
   発生させるための制御手段(6)とを備えたことを特徴と
   するエンジンの吸気加熱装置。
2. 【請求項２】 前記誘導コイル(4)が、エンジンの吸気
   管(2)の外側に備えられていることを特徴とする請求項
   １記載のエンジンの吸気加熱装置。
3. 【請求項３】 前記誘導コイル(4)が、エンジンの吸気
   管(2)の内側に備えられていることを特徴とする請求項
   １記載のエンジンの吸気加熱装置。