JPH0814123A - エンジンの吸気ポート加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 燃料の気化を促進しつつシリンダへの効果的
な燃料供給を可能にし、また、吸気ポート内壁の付着燃
料をも気化させる。 【構成】 吸気ポート１ａの内壁に沿って形成された２
重管内側の筒状部材１０が磁性体で形成され、この筒状
部材１０の外周に、誘導コイル１１が巻回されて樹脂モ
ールドされている。さらに、この樹脂モールド部分１２
の外側が、高透磁率の材料からなる筒状部材１３によっ
て覆われており、コントローラ７によって前記誘導コイ
ル１１に高周波電流を通電して高周波磁界を発生させる
と、渦電流損によるジュール熱が発生し、筒状部材１０
によって形成される吸気ポート内壁が加熱される。これ
により、吸気抵抗がないヒータ構造としてインジェクタ
５の下流のポート全内壁を加熱することができ、広範囲
な燃料の気化促進が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エンジンの吸入ポート
を加熱し、燃料霧化を促進するエンジンの吸気ポート加
熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、エンジン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、ヒータを用いて燃料を気化させるシステムがあり、
例えば、特開昭６０−９８１５９号公報には、絞り弁下
流の吸気通路の周縁部に、その流れ方向に透孔を形成し
たヒータを設ける技術が開示されている。

【０００３】このようなヒータはエンジンの吸気ポート
にも設けられ、図８に示すように、セラミックケース５
２にＰＴＣヒータ５３を内蔵したポートヒータ５１が、
エンジンの吸気ポート５０内に臨まされ、インジェクタ
５４から噴射された燃料が効率良くケース表面にぶつか
るような位置に配設されている。前記セラミックケース
５２の表面は、前記ＰＴＣヒータ５３により加熱されて
おり、前記インジェクタ５４から噴射された燃料が、こ
の表面に当たることによって燃料の気化が促進されるよ
うになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本来、
燃料を応答良くシリンダ内に供給するためには、吸入空
気の流れに燃料液滴をのせる必要があり、従って、燃料
噴射式エンジでは、噴射燃料を吸気バルブにぶつけるの
が理想的であって、前述したような従来のヒータでは、
これと逆行することになる。

【０００５】また、吸気ポートにヒータを設けることは
吸気抵抗となるため、暖機後のエンジン出力に影響を与
えるばかりでなく、シリンダへの効果的な燃料供給を結
果的に阻害する要因となる。

【０００６】さらに、吸入ポート内壁へは、混合気の吹
き返しや、吸入空気の乱れ、インジェクタの噴霧角等に
より燃料が付着するため、噴射燃料がぶつかる位置にヒ
ータを設けただけでは、この付着燃料を気化させること
は困難である。

【０００７】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、燃料の気化を促進しつつシリンダへの効果的な燃料
供給を可能にし、また、吸気ポート内壁の付着燃料をも
気化させ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。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、エンジンの吸
気ポート内壁を形成する磁性体からなる第１の部材と、
前記第１の部材の外周に巻回され、前記第１の部材を透
過する磁束を発生するための誘導コイルと、前記誘導コ
イルを覆って前記第１の部材及び前記誘導コイルを吸気
ポートに固定し、前記誘導コイルで発生する磁束の外部
漏洩を低減するための第２の部材と、前記誘導コイルに
高周波電流を通電して交番磁界を発生させ、前記第１の
部材によって形成される吸気ポート内壁表面を加熱制御
する制御手段とを備えたものである。

【０００９】

【作用】本発明では、第１の部材の外周に巻回した誘導
コイルに高周波電流を通電して高周波磁界を発生させ、
電磁誘導により第１の部材によって形成される吸気ポー
ト内壁表面を加熱し、燃料の気化を促進する。

【００１０】

【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７は本発明の一実施例を示し、図１は吸
気ポートにポートヒータを組み込んだ説明図、図２はポ
ートヒータの構成図、図３は電磁誘導加熱の基本原理を
示す説明図、図４は渦電流密度と加熱深さの関係を示す
説明図、図５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６はコントローラの構成例
を示す回路図、図７は発振出力及びＦ／Ｆ出力の波形図
である。

【００１１】図１において、符号１は、自動車等の車輌
のエンジンのシリンダヘッドであり、このシリンダヘッ
ド１にインテークマニホルド２がインシュレータ３を介
して連設され、前記シリンダヘッド１に形成された各気
筒毎の吸気ポート１ａに連通されている。また、前記吸
気ポート１ａの直上流側の前記インテークマニホルド２
に、吸気バルブ４に向けて燃料を噴射するようインジェ
クタ５が各気筒毎に配設されている。

【００１２】前記吸気ポート１ａには、吸気入口側から
前記吸気バルブ近傍まで吸気ポート内壁面に沿った形状
のポートヒータ６が組み込まれており、その厚みの分だ
け前記吸気ポート１ａは、通常のエンジンの吸気ポート
内径より予め拡大されている。前記ポートヒータ６は、
図２に示すように、吸気ポート１ａの内壁に沿って形成
された２重管となっており、２重管内側の第１の部材と
しての筒状部材１０が磁性体で形成され、この筒状部材
１０の外周に誘導コイル１１が巻回されている。この誘
導コイル１１は、線間相互絶縁を兼ねて樹脂モールドさ
れており、この樹脂モールド部分１２の外側が、高透磁
率の材料からなる第２の部材としての筒状部材１３によ
って覆われている。

【００１３】そして、前記ポートヒータ６が前記シリン
ダヘッド１に形成された吸気ポート１ａの吸気入口側か
ら挿入されて接着・固定され、前記ポートヒータ６の２
重管内側の筒状部材１０が、通常のエンジンの吸気ポー
ト内壁と同じ形状となって吸気ポート内壁を形成するよ
うになっており、前記誘導コイル１１に、高周波電流を
通電して高周波磁界を発生させ、前記筒状部材１０によ
って形成される吸気ポート内壁表面を加熱するよう制御
する制御手段としてのコントローラ７が接続されてい
る。

【００１４】すなわち、図３に示すように、前記誘導コ
イル１１に高周波電流を通電して交番磁界を発生させる
と、磁性体からなる筒状部材１０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
筒状部材１０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、前記筒状部材１０が発熱し、吸気ポー
ト１ａを加熱することができる。

【００１５】この場合、図４に示すように、高周波電流
によって誘導される渦電流密度は、周波数が低い程大き
く、周波数が高いほど小さくなる特性を持っており、ま
た、渦電流密度と加熱深さの関係は、同一周波数では渦
電流密度が小さくなる程、加熱深さが深くなる。

【００１６】従って、磁性体からなる前記筒状部材１０
としては、鉄系の材料で表皮抵抗の比較的大きい材料を
用い（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１１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、前記筒状部材１０の
内表面すなわち吸気ポート内壁が加熱されるようにす
る。

【００１７】一方、前記誘導コイル１１の外周に設けら
れた前記筒状部材１３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、磁束の外部漏洩を低減して前記筒状部材１０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。

【００１８】これにより、吸気抵抗がないヒータ構造と
してインジェクタ５の下流のポート全内壁を加熱するこ
とができるため、広範囲な燃料の気化促進が可能とな
り、特にエンジン始動時の吸気ポート内壁への付着燃料
によるオーバーリッチが防止できる。また、インジェク
タ５の取り付け位置や噴霧角の設定を暖機後の最適な設
定に合わせることができ、吸気バルブ４に向けて燃料を
噴射することが可能となる。

【００１９】ここで、前記誘導コイル１１に高周波電流
を通電するには、図５に示すように、インバータ１５を
使用する。すなわち、前記誘導コイル１１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１１に共振用のコンデンサ１６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１５でバッテリ１７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１６の容量をＣ0とすると、前記誘導コイル１１の
共振周波数ｆO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、前記筒状部材１０の内表面
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。

【００２０】ｆ0＝１／（２π（Ｌ0Ｃ0）^1/2） 前記コントローラ７は、前記インバータ１５の機能を有
し、前記誘導コイル１１へ通電する高周波電流を制御す
るものであり、図６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７は、発振回路部２０、イ
ンバータ制御回路部２１、制御指示回路部２２、及び、
インバータ回路部２３を備えている。

【００２１】前記発振回路部２０は、ゲート素子による
発振回路であり、２入力アンドゲ−ト２４及び２入力ナ
ンドゲート２５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２４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２５の入力端に接続するとともに、前記ナ
ンドゲート２５の出力端を前記アンドゲ−ト２４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。

【００２２】前記インバータ制御回路部２１は、フリッ
プフロップ（Ｆ／Ｆ）２６と４個の２入力アンドゲ−ト
２７〜３０とから構成され、前記発振回路部２０のナン
ドゲート２５からの出力が前記フリップフロップ２６に
入力される。前記フリップフロップ２６は、反転出力
（−Ｑ出力）端が各アンドゲ−ト２７，３０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２８，２９の一方の入力端に接続されている。そし
て、各アンドゲ−ト２７，２８，２９，３０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
２２に接続されている。

【００２３】前記制御指示回路部２２は、共通に接続さ
れる前記各アンドゲ−ト２７〜３０の入力端に、抵抗Ｒ
２を介してスイッチ３１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３１の他端が、図示しない電圧信号源に接続されてい
る。

【００２４】そして、前記スイッチ３１がＯＦＦのとき
には、各アンドゲ−ト２７〜３０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２７〜３０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３１がＯＮされたとき、ハイレベルの電圧
信号を各アンドゲ−ト２７〜３０の一方の各入力端に印
加し、前記フリップフロップ２６からの信号を各アンド
ゲ−ト２７〜３０を介して前記インバータ回路部２３に
出力可とする。

【００２５】前記インバータ回路部２３は、４個のＮＰ
Ｎ型トランジスタ３２〜３５を用いたブリッジ型インバ
ータであり、前記発振回路部２０から前記インバータ制
御回路部２１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３２〜３５が駆動されるようになってい
る。すなわち、トランジスタ３２にトランジスタ３３が
直列接続され、これらのトランジスタ３２，３３の各ベ
ースに、前記インバータ制御回路部２１のアンドゲ−ト
２７，２８の各出力端がそれぞれ接続され、また、トラ
ンジスタ３４にトランジスタ３５が直列接続され、これ
らのトランジスタ３４，３５の各ベースに、前記インバ
ータ制御回路部２１のアンドゲ−ト２９，３０の各出力
端がそれぞれ接続されている。

【００２６】そして、上段の各トランジスタ３２，３４
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３３，３５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３２の
エミッタ及びトランジスタ３３のコレクタの接続点と、
トランジスタ３４のエミッタ及びトランジスタ３５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１１が接続されている。

【００２７】以上の構成によるコントローラ７では、制
御指示回路部２２に設けられたスイッチ３１がＯＦＦの
状態では、インバータ制御回路部２１の各アンドゲ−ト
２７〜３０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２７〜３０の出力が全てローレベル
となり、インバータ回路部２３の各トランジスタ３２〜
３５が全てＯＦＦしてインバータ停止状態で誘導コイル
１１には電流が流れない。

【００２８】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７のスイッ
チ３１をＯＮにすると、インバータ制御回路部２１の各
アンドゲ−ト２７〜３０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２３を作動状態とする。

【００２９】この場合、発振回路部２０では、アンドゲ
−ト２４とナンドゲート２５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２１に入力される。

【００３０】すなわち、ナンドゲート２５の出力がハイ
レベルになった場合、アンドゲ−ト２４を介してナンド
ゲート２５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。

【００３１】そして、このハイレベルの信号入力によ
り、ナンドゲート２５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２
４を介してナンドゲート２５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２５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２５の出力がハイレ
ベルとなり、図７に示すような矩形波の発振出力が得ら
れる。

【００３２】前記発振回路部２０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１１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２１のフリップフロップ
２６によって周波数ｆに分周される。このフリップフロ
ップ２６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７に示すように、前記ナンドゲート２５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２０からの周波数２ｆの信号がフリップ
フロップ２６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２７〜３０を経由してインバ
ータ回路部２３の各トランジスタ３２〜３５のベースに
供給される。

【００３３】すると、インバータ回路部２３では、トラ
ンジスタ３２及びトランジスタ３５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３４及びトラ
ンジスタ３３がペアになって駆動される。その結果、誘
導コイル１１に周波数ｆの交番電流が流れて交番磁界が
発生し、主として磁性体である筒状部材１０に発生する
渦電流によるジュール熱のため、前記筒状部材１０が発
熱し、この筒状部材１０を通過する空気が加熱される。

【００３４】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２２のスイッチを３１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。

【００３５】尚、前記制御指示回路部２２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２１に入
力されるよう構成することにより、スイッチ３１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。

【００３６】また、本実施例においては、各気筒毎に吸
気ポート１ａに臨まされたインジェクタ５によって燃料
を噴射するマルチポイント式燃料噴射エンジンを例にと
って明したが、本発明は、これに限定されるものではな
く、シングルポイント式燃料噴射エンジン、さらには、
気化器式エンジンにおいても有効である。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、エ
ンジンの吸気ポート内壁を形成する磁性体からなる第１
の部材の外周に巻回した誘導コイルに高周波電流を通電
して高周波磁界を発生させ、第１の部材によって形成さ
れる吸気ポート内壁表面を電磁誘導によって加熱するた
め、吸気抵抗がないヒータ構造として広範囲な燃料の気
化促進が可能となって吸気ポート内壁の付着燃料をも気
化させることができ、シリンダへの効果的な燃料供給を
可能にするなど優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】吸気ポートにポートヒータを組み込んだ説明図

【図２】ポートヒータの構成図

【図３】電磁誘導加熱の基本原理を示す説明図

【図４】渦電流密度と加熱深さの関係を示す説明図

【図５】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６】コントローラの構成例を示す回路図

【図７】発振出力及びＦ／Ｆ出力の波形図

【図８】従来の吸気ポートにポートヒータを組み込んだ
説明図

【符号の説明】

７ コントローラ（制御手段） １０ 筒状部材（第１の部材） １１ 誘導コイル １３ 筒状部材（第２の部材）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エンジンの吸気ポート内壁を形成する磁
   性体からなる第１の部材(10)と、 前記第１の部材(10)の外周に巻回され、前記第１の部材
   (10)を透過する磁束を発生するための誘導コイル(11)
   と、 前記誘導コイル(11)を覆って前記第１の部材(10)及び前
   記誘導コイル(11)を吸気ポートに固定し、前記誘導コイ
   ル(11)で発生する磁束の外部漏洩を低減するための第２
   の部材(13)と、 前記誘導コイル(11)に高周波電流を通電して交番磁界を
   発生させ、前記第１の部材(10)によって形成される吸気
   ポート内壁表面を加熱制御する制御手段(7)とを備えた
   ことを特徴とするエンジンの吸気ポート加熱装置。