JPS5982565A - インテ−ク・ヒ−タの温度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ディ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だめのイ
ンテーク・ヒータに係り、行にセラミックでヒータを形
成した場合において、ヒータの昇温特性が電圧印加のみ
のときと、これに燃焼が加わったときとで大きく異なる
ことがらこれを補正して、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、殊にディーゼル機関にあっては吸入さ
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って
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だめに、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だものである。

しかしながら、このようなイアテーク・ヒータ３には以
下のごとき問題点があった。

（１）　　ヒータ本体（金属鞘５）に金属を用い、これ
に直接燃料を懸は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だめの電圧値（電流値）が制限を受
ける。

（２）シかも、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った。因に、大型
ディーゼル機関では１２秒以上と長かった。

（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、着火がおこっ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
とが多かった。

（４）　　ヒータ３製作上、金属鞘５内にマグネシウム
の粉末６を圧密に充填するだめ、発熱抵抗体４のピッチ
が不揃いになり的確なピッチをｆ得られなかったり、鞘
５内で短絡してしまう場合があり、［１ｑ造上ヒータ３
に局所過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だり、ヒータ３全体を十分に加
熱できなかった。しかも、発熱抵抗体４のピッチが不揃
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った。したがって完爆期
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
かった。

そこで、本発明者は上述の問題点を解決すべくヒータ全
体をセラミッ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を先に創案するに
到った。すなわち、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ック中
に埋め込んでインテーク・ヒータを形成する。抵抗発熱
体の埋込みはホッ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
ッチの不揃いの全くないセラミック・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。

ヒータは吸気を幼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
によっ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３ヒ一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ｔ１情度に達すると直
ちに低電圧印加指令を送出する機能を有する。高電圧と
はその印加によってもたらされる飽和温度がセラミック
の側熱限界温度を越えるに十分な電圧、例えば大型自動
車用バッテリの２４Ｖをいう。また低電圧とはその印加
によってもたらされるヒータの飽和温度がセラミックの
耐熱限界温度に近接し得る値、例えば９．５　Ｖをいう
。電圧制御１Ｉ１１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。しだがって、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、セラミッ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
にしだものである。

したがって、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
制御回路を設定しである。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、イノテーク・ヒータは燃焼
時には異なる昇温特性を示すことがわかった。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った場合には、より低い電圧で
望む着火温度に連子るノットした特性を呈するのである
。このだめ、当初設定し２だ電圧制御回路の基準電圧値
では、燃焼時に、史に高い温度に達しておりセラミック
の耐熱限界温度を越えたところで制御がなされ、もって
破接していたのである。

〔発明の目的〕

そこで本発明の目的は、ヒータ全体をセラミックで形成
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、セラミッ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ったときの昇温
特性変位を補ＩＥシて、よシ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って生じる破壊から
防止し、もっ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
高温保持させるだ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
るようにしである。

この電圧印加によって発熱抵抗体に生じる電位を検知す
るだめの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
である。ヒータに供給される燃料が着火・燃焼しだが否
かを判別するだ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ッチが
開閉して、燃焼時にあっては上記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用　　　　。

力を選択するようにしである。そして、この選択された
比較器出力によっ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〕

Ｆｒ、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って詳細に説明する。説
明に当って先ず、本発明の前提となるセラミックインテ
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、全体がホットプ
レスによりセラミッ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１
４が内設されて構成される。セラミックは、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、このセラミックは、
発熱抵抗体１４をその内側に保設して、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
加熱時間合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、温度上昇に伴っ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
印加にまり熱容量の大きなセラミッ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図はかかるセラミック製のインテーク・ヒータ１０
の昇温特性を示すものである。断面積１６−１長さ６０
＋＋Ｉｍ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
ッテリ電圧２４Ｖを印加した場合には、僅か１．９ｓｅ
ｃで燃料の着火温度Ｔ、　８００°Ｃに達し、そのまま
セラミックの耐熱限界温度ＴＬ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、バッテリ電圧より
も低い９．５Ｖを印加した場合には、飽和温度Ｔｓが９
８６°Ｃという耐熱限界温度ＴＬ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ＴＦ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
ル１圧ｖＨと、また継続印加しても耐熱限界温度ＴＬ以
Ｆでこれに近接した値に飽和させる電圧を低電圧ｖ０．
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ＳＩＲ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と低電圧電源１８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ＶＨと低電
圧ＶＬとを選択的に印加するようになっている。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Ｏ
Ｎ・ＯＦＦする比較器１９によって形成される。

比較器１９の基準電位はインテーク・ヒータ１゜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ＴＦの８ｏｏ℃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Ｒ＋、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って異なるので、基準電位を
正規化するために抵抗分割Ｒ，，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
位よシ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ＶＨと
低電圧■１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、燃焼が始捷ると発熱抵抗体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（Ｃ１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って異な
るからでアル。即ち、特性Ａはインテーク・ヒータ１０
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
による発熱が重なっ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。したがって、特性Ａに基づ
いて着火温度ＴＦの８００°Ｃに相当する電圧Ｖ。に基
準電位を設定すると、燃焼が始まると特性Ｂにソフトす
ることになるから、インテーク・ヒータ１０は耐熱限界
温度ＴＬ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だも
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１９Ａ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であ
る。双方の比較器１９出力には切換信号によっていずれ
かの出力を選択的に取り出す切換スイッチ２０が接続さ
れている。この切換スイッチ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
全検知するフレーム・ロッド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
位を低く設定しである他方の比較器１９Ｂを選択するよ
うに構成されている。尤も、この切換信号は、インテー
ク・ヒータ１０が着火温度ＴＦに達すると自ずとこれに
供給される燃料は燃焼するから、一方の比較器１９Ａの
出力から燃料供給と同期して取るようにすることもでき
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１
０の〃１度は低いから炎電流は検知されずフレーム・１
フツド２１は切換スイッチ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Ｃよ高電圧印加指令
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ＶＩ＋を印
加する。この高電圧ＶＯ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ＴＦの８
００℃に僅か１９〜２．０ｓｅｃで達する。ヒータ１０
がこの着火温度Ｔ、に達すると発熱抵抗体１４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
ｖＨに代わって低電圧ＶＬ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ＴＦ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、を
切っ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ｖＩＩ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ｖＬとが交互に印加され、高電圧Ｖ）ｌをＯ
ＦＦ　した場合にも低電圧ＶＬ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ＴＦ以上であ
ってセラミック耐熱限界温度ＴＬ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・ロッ
ド２１に検知され切換スイッチ２０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
がって、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ＴＦ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ｖ１．の印加が規制され、着火前と
比較して低電圧ＶＬの印加時間の方が長くなる。従って
、着火後であっても、着火前と同様にインテーク・ヒー
タ１ｏの温度を着火温度ＴＦ以上であってセラミック側
熱限界温度ＴＬ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
セラミックで成形するとともにりノブステ／を酸化から
防止して不燃性を確保し、且つ加熱条件によって制御信
号を補正することによっ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
るセラミッ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。まだ、
ヒータをセラミックとしたことによりホットプレス成形
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燃焼による加熱が重な
っ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
ったヒータの損壊についても解決し、直接検知と同程度
の精度ある侃、度制御をセラミックの耐熱限界温度近く
で行なうことができる。しだがって、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図はイノテーク・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
は同月温特性図、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は切換スイッチ、■、１は高電圧、ＶＬ
は低電圧である。 特許出願人　いすソ自動車株式会社 代理人弁理士　　絹　谷　信　雄 −＆

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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、」二記ヒータをセラミッ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だめの印加電圧切換
   手段を設け、且つ大小の異なる基準電位を設定しこの電
   位が上記直列回路に印加される電圧に比例する２個の比
   較器を具え、この比較器出力に燃料の着火によって作動
   して小さな基準電位を設定した比較器を選択する切換ス
   イッチを接続して成り、上記発熱抵抗体とセンシング抵
   抗との接続点から取シ出した発熱抵抗体の電位を上記２
   個の比較器に共通に供給して２つの比較出力を発生させ
   、この比較出力のうちの上記切換スイッチで選択された
   いずれが一方の出力により上記印加電圧切換手段を切換
   え制御するようにしたことを特徴とするインテーク・ヒ
   ータの温度制御装置。