JP2003191746A - 流体加熱装置、並びにこれを用いた熱機関の始動補助装置及び暖房装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 十分に高い温度まで空気の温度を上昇させる
流体加熱装置を提供する。 【解決手段】 エアポンプ２１から吐出する空気を絞り
２４にて絞って昇温させるとともに、この絞った空気を
エアポンプ２１と絞り２４との間で再循環させる。これ
により、十分に高い温度まで空気の温度を上昇させるこ
とができるので、例えばエンジン１０の吸気加熱装置２
０にも適用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体を加熱する流
体加熱装置に関するもので、熱機関の吸気加熱する熱機
関の始動補助装置又は暖房装置に適用して有効である。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】流体加
熱装置として、例えば特開平８−３４３２０号公報に記
載の発明では、エアポンプから吹き出す空気をノズルで
絞って空気の温度を上昇させている。

【０００３】しかし、発明者の検討によると、上記公報
に記載の発明では、十分に高い温度まで流体を昇温させ
ることが難しいことが解った。

【０００４】本発明は、上記点に鑑み、十分に高い温度
まで流体を昇温させることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、請求項１に記載の発明では、流体を循環
させるポンプ（２１）と、ポンプ（２１）から吐出され
た流体をポンプ（２１）の吸入側に戻す再循環管（２
３）と、再循環管（２３）内に設けられ、流体流れを絞
って流体温度を上昇させる絞り手段（２４）とを備える
ことを特徴とする。

【０００６】これにより、ポンプ（２１）から吐出され
る流体は、絞り手段（２４）とポンプ（２１）との間を
再循環するので、ポンプ（２１）から供給される流体の
温度は、ポンプ（２１）の稼動時間の比例するように上
昇していく。したがって、流体の温度を十分に高い温度
まで上昇させることができる。

【０００７】請求項２に記載の発明では、請求項１に記
載の流体加熱装置にて熱機関（１０）に吸入される燃焼
用空気を加熱することを特徴とする。

【０００８】これにより、熱機関（１０）の始動性を向
上させることが可能となる。

【０００９】請求項３に記載の発明では、再循環管（２
３）のうちポンプ（２１）の吐出側に接続された部分
が、熱機関（１０）の排気を熱機関（１０）の吸気側に
戻す排気再循環管（５１）に連結されており、さらに、
絞り手段（２４）は、再循環管（２３）のうちポンプ
（２１）の吐出側に接続された部分に設けられているこ
とを特徴とする。

【００１０】これにより、排気再循環管（５１）を利用
して、ポンプ（２１２）から供給された空気を熱機関
（１０）の各気筒に分配することができるので、流体加
熱装置を利用した吸気加熱装置にて加熱された空気を各
気筒に確実に分配することができるとともに、加熱され
た空気を分配するための分配器を廃止することができ、
吸気加熱装置の製造原価低減を図ることができる。

【００１１】請求項４に記載の発明では、少なくとも熱
機関（１０）の始動時には、ポンプ（２１）は、熱機関
（１０）と異なる駆動源（２２）にて駆動されることを
特徴とする。

【００１２】これにより、熱機関（１０）の始動時であ
っても、確実、かつ、安定的に加熱された空気を熱機関
に供給するできる。

【００１３】請求項５に記載の発明では、ポンプ（２
１）から吐出された空気を熱機関（１０）の排気側に供
給する二次空気供給手段（３１、３２）を備えることを
特徴とする。

【００１４】これにより、例えば熱機関（１０）の排気
側に設けられた触媒や燃焼機等にポンプ（２１）の空気
を供給することができるので、触媒や燃焼機等に空気を
供給するエアポンプを廃止することができる。したがっ
て、部品点数を低減することができ、製造原価低減を図
りつつ、搭載スペースを改善することができる。

【００１５】請求項６に記載の発明では、再循環管（２
３）のうちポンプ（２１）の吐出側に接続された部分に
は、熱機関（１０）の吸気側とポンプ（２１）の吐出側
との圧力差が所定圧力差以上となったときに開く差圧弁
（２５）が設けられていることを特徴とする。

【００１６】これにより、ポンプ（２１）から吐出され
た空気を熱機関（１０）の排気側に供給する場合と、熱
機関（１０）の吸気側に供給する場合とを確実に切り換
えることができる。

【００１７】請求項７に記載の発明では、差圧弁（２
５）と絞り手段（２４）とが一体化されていることを特
徴とする。

【００１８】これにより、流体加熱装置を利用した吸気
加熱装置の組み付け工数を低減することができる。

【００１９】請求項８に記載の発明では、ポンプ（２
１）から熱機関（１０）の排気側に供給された空気が、
ポンプ（２１）側に逆流することを防止する逆止弁（３
３）を備えることを特徴とする。

【００２０】これにより、熱機関（１０）の排気圧によ
りポンプ（２１）から送風された空気が逆流してしまう
ことを防止できる。

【００２１】請求項９に記載の発明では、請求項１に記
載の流体加熱装置にて室内に吹き出す空気を加熱するこ
とを特徴とする。

【００２２】これにより、高い温度の空気を暖房用とし
て供給することができる。

【００２３】請求項１０に記載の発明では、駆動源（２
２）の動力をポンプ（２１）に伝達する継ぎ手（２６）
は、自身の温度が上昇すると伝達する動力が低下する温
度式継ぎ手であることを特徴とする。

【００２４】これにより、継ぎ手（２６）の温度が高
く、暖房の必要性が低いときには、自動的にポンプ（２
１）の稼働率が低下するので、効率よく暖房補助を行う
ことができる。

【００２５】請求項１１に記載の発明では、絞り手段
（２４）より空気流れ下流側の空気通路には、吸音材
（６４）が設けられていることを特徴とする。

【００２６】これにより、絞り手段（２４）にて発生し
た騒音を効率よく吸収することができる。

【００２７】因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後
述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す
一例である。

【００２８】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）本実施形態は、
本発明に係る流体加熱装置を熱機関の始動補助装置に適
用したものであって、図１は本実施形態に係る車両用熱
機関の始動補助装置の模式図である。

【００２９】ディーゼル式のエンジン１０は、空気を吸
入圧縮してその圧縮した空気中で燃料を爆発させること
により機械的動力を発生させる熱機関であり、吸気管１
１はエンジン１０に燃焼用の空気、すなわち吸気を供給
するものであり、排気管１２はエンジン１０から排出さ
れる排気を大気中に放出するためのものである。

【００３０】なお、排気管１２には、排気を酸化還元す
ることにより排気を浄化する三元触媒１２ａや排気を低
減するマフラー等が設けられている。

【００３１】ウエスコ式のエアポンプ２１は、エンジン
１０と異なる駆動源である電動式のモータ２２により駆
動されて空気を循環させるものであり、吐出管２３ａは
エアポンプ２１の吐出側２１ａと吸気管１１とを繋ぐ空
気通路を構成するものであり、吸入管２３ｂはエアポン
プ２１の吸入側２１ｂと吸気管１１とを繋ぐ空気通路を
構成するものである。

【００３２】そして、本実施形態では、吐出管２３ａ、
吸入管２３ｂ及び吸気管１１のうち吐出管２３ａと吸入
管２３ｂとを繋ぐ部分により、エアポンプ２１から吐出
された空気をエアポンプ２１の吸入側２１ｂに戻す再循
環管２３が構成され、この再循環管２３、エアポンプ２
１、モータ２２及び後述する絞り２４にて本実施形態に
係る流体加熱装置、すなわち吸気加熱装置２０が構成さ
れている。

【００３３】なお、吐出管２３ａは、吸気管１１のうち
インテークマニホールドの分岐部分より吸気流れ上流側
の部位に接続され、吸入管２３ｂは吸気管１１のうち吐
出管２３ａとの接続部位より吸気流れ上流側の部位に接
続されている。

【００３４】また、絞り２４は、再循環管２３のうち吐
出管２３ａ内に設けられて空気流れを絞って空気を圧縮
する、開度が固定された固定絞り型の絞り手段であり、
この絞り２４の空気流れ下流側には、エンジン１０の吸
気側とエアポンプ２１の吐出側との圧力差が所定圧力差
以上となったときに開く差圧弁２５が設けられている。

【００３５】二次空気供給管３１は、エアポンプ２１か
ら吐出された空気を排気管１２のうち三元触媒１２ａよ
り排気流れ上流側に供給する管であり、二次空気弁３２
は、二次空気供給管３１の連通状態を制御する電磁弁で
あり、この二次空気弁３２及び二次空気供給管３１によ
りエアポンプ２１から吐出された空気をエンジン１０の
排気側に供給する二次空気供給手段が構成されている。

【００３６】なお、二次空気弁３２及びモータ２２は、
エンジン１０を制御する制御装置により制御される。

【００３７】次に、本実施形態に係る始動補助装置の特
徴的作動及びその効果を述べる。

【００３８】エンジン１０の始動スイッチが投入され、
クランキングを行うべくスタータモータが駆動されると
同時に、二次空気弁３２を閉じた状態でモータ２２を稼
動させる。

【００３９】これにより、エアポンプ２１が稼動して差
圧弁２５前後の圧力差が所定圧力差以上となると、差圧
弁２５が開いてエアポンプ２１から吐出された空気が吸
気管１１に向けて流れるので、エアポンプ２１から吹き
出す空気は、絞り２４にて圧縮されるように絞られて温
度が上昇する。

【００４０】このとき、吸気管１１には、絞り２４にて
絞られて温度が上昇した空気が流入し、その流入した空
気の一部はエンジン１０に吸入されるが、その他の空気
は吸入管２３ｂからエアポンプ２１に吸入されるため、
エアポンプ２１から吐出される空気の一部は、絞り２４
とエアポンプ２１との間を再循環する。

【００４１】したがって、エアポンプ２１、つまり空気
加熱装置から吸気管１１に供給される空気の温度は、エ
アポンプ２１の稼動時間の比例するように上昇していく
ので、吸気の温度を十分に高い温度まで上昇させること
ができ、エンジン１０の始動性を向上させることができ
る。

【００４２】因みに、エアポンプ２１から吸気管１１に
供給される空気の流量がエンジン１０に吸入される空気
の流量より多いことに加えて、エンジン１０の吸気バル
ブは、吸気行程以外のタイミングでは閉じて間欠的に空
気を吸入するのに対して、エアポンプ２１は、エンジン
１０の吸入作動に比べると連続的に空気を供給するの
で、エアポンプ２１から吸気管１１に供給された空気の
少なくとも一部は、エアポンプ２１に再吸入される。し
たがって、エアポンプ２１から吐出される空気の一部
は、通常、必ず絞り２４とエアポンプ２１との間を再循
環する。

【００４３】なお、図２はクランキングと吸気の温度と
の関係を示すグラフであり、吸気を燃焼器又はセラミッ
クヒータで加熱した場合には、クランキングが停止する
と、吸気に熱を与えることができないので、吸気温度が
大きく低下するのに対して、本実施形態では、空気を再
循環させるので、クランキングが停止しても吸気温度が
大きく低下することがない。したがって、確実に吸気温
度を上昇させることができるので、エンジン１０の始動
性を確実に向上させることができる。

【００４４】また、エンジン１０が完全に始動した後に
おいて、三元触媒１２ａに酸化用の二次空気を供給する
ときには、二次空気弁３２を開いた状態でエアポンプ２
１を稼動させる。

【００４５】これにより、三元触媒１２ａに酸化用の二
次空気を供給する送風手段と吸気加熱用の送風手段とを
兼用することができるので、部品点数を低減することが
でき、製造原価低減を図りつつ、搭載スペースを改善す
ることができる。

【００４６】因みに、図３はエアポンプ２１、絞り２４
及び二次空気弁３２の流量特性を示す一例であり、図３
から明らかように、差圧弁２５の開弁圧力以下で二次空
気弁３２を開けば、エアポンプ２１から吐出された空気
が吸気管１１に流れ込むことなく、排気管１２側に流れ
込むことが分かる。

【００４７】なお、特開昭６３−７１４１０号公報に記
載の発明では、燃焼器の排気をエンジンの吸気側に供給
することにより吸気加熱を行っているが、この発明で
は、吸気中の酸素濃度は低いため、却って、始動性が悪
化するおそれがあるのに対して、本実施形態は、空気を
加熱してエンジン１０に供給するので、燃焼に必要な酸
素が足りないといった問題は発生しない。したがって、
圧縮比が低く、始動性の低いエンジンであっても、確実
に着火始動させることができる。

【００４８】また、本実施形態では、モータ２２にてエ
アポンプ２１を稼動させるので、エンジン１０の状態、
すなわちクランキング状態によらず、安定して空気をエ
ンジン１０に供給することができる。

【００４９】（第２実施形態）本実施形態は、図４に示
すように、クランキングを開始する前に吸気加熱装置、
すなわちエアポンプ２１を作動させるものである。

【００５０】これにより、クランキングを開始すると同
時に高温の空気をエンジン１０に供給することができる
ので、エンジン１０の始動性を一層向上させることがで
きる。

【００５１】（第３実施形態）本実施形態は、図５に示
すように、排気管１２内に燃焼器４０を搭載した車両に
第１実施形態又は第２実施形態を適用したものである。

【００５２】なお、燃焼器４０はエンジン１０の排気中
の酸素、又は二次空気供給管３１から供給された空気中
の酸素を使用して燃焼するもので、燃焼器２１内には、
酸化触媒、パティキュレートフィルタ及び窒素吸蔵型触
媒、並びに廃熱を回収する熱交換器が搭載されている。

【００５３】したがって、本実施形態では、燃焼器４０
用のエアポンプと吸気加熱用のエアポンプ２１とを兼用
することができるので、部品点数を低減することがで
き、製造原価低減を図りつつ、搭載スペースを改善する
ことができる。

【００５４】（第４実施形態）本実施形態は、図６に示
すように、エンジン１０の排気を吸気管１１に戻す排気
再循環装置用の排気再循環管５１と吐出管２３ａ、すな
わち再循環管２３のうちエアポンプ２１の吐出側に接続
された部分とを兼用するとともに、エアポンプ２１から
排気管１２に供給された空気が、エアポンプ２１側に逆
流することを防止する逆止弁３３を二次空気供給管３１
に設けたものである。なお、吸気絞り弁５３は排気再循
環装置用のバルブである。

【００５５】これにより、排気再循環管５１に設けられ
た各気筒にＥＧＲ用排気を分配供給する分配管５１ａを
利用して、エアポンプ２１から供給された空気を各気筒
に分配することができるので、吸気加熱装置にて加熱さ
れた空気を各気筒に確実に分配することができるととも
に、加熱された空気を分配するための分配器を廃止する
ことができ、吸気加熱装置の製造原価低減を図ることが
できる。

【００５６】なお、分配管５１ａにて各気筒に分配供給
された空気は、エンジン１０の吸気バルブが閉じている
ときに、吸気管１１を逆流して吸入管２３ｂに至る。

【００５７】また、逆止弁３３が設けられているので、
エンジン１０の排気圧によりエアポンプ２１から送風さ
れた空気が逆流してしまうことを防止できる。

【００５８】（第５実施形態）本実施形態は、図７に示
すように、差圧弁２５と絞り２４とを一体化したもので
ある。具体的には、差圧弁２５をバネ等の弾性手段２５
ａと弁座２５ｂに接触して弁口２５ｃを開閉する弁体２
５ｄとからなる機械式のバルブとするとともに、弁口２
５ｃの上流側に設けた絞り２４と弁口２５ｃとの間に空
間２５ｅを設けたものである。

【００５９】そして、本実施形態では、差圧弁２５と絞
り２４とを一体化したので、吸気加熱装置の組み付け工
数を低減することができる。

【００６０】また、絞り２４と弁口２５ｃとの間に空間
２５ｅが設けられているので、空間２５ｅが空気バネ、
つまり緩衝機として機能して、弁体２５ｄが弁座２５ｂ
に衝突する際の衝突力を緩和する。したがって、差圧弁
２５の作動音、つまり弁体２５ｄが弁座２５ｂに衝突す
る際の衝突音を緩和することができる。

【００６１】（第６実施形態）本実施形態は、本発明に
係る流体加熱装置を車両用空調装置に適用したものであ
る。具体的には、図８に示すように、エンジン１０の動
力をサーモカップリング２６を介してエアポンプ２１に
伝達するとともに、絞り２４にて加熱された空気を、空
調ケーシング６０のうちヒータ６１より空気流れ上流側
に供給するようにしたものである。

【００６２】ここで、サーモカップリング２６は、自身
の温度が上昇すると伝達する動力が低下する温度式継ぎ
手であり、本実施形態では、粘性流体を利用したビスカ
スカップリングの一種を採用している。なお、自身の温
度は、サーモカップリング２６の雰囲気温度に影響され
るので、外気温度や空調ケーシング６０に導入される空
気温度に応じて変化する。

【００６３】また、ヒータ６１はエンジン冷却水を熱源
とする加熱手段であり、蒸発器６２は蒸気圧縮式冷凍機
の低圧熱交換器で室内に吹き出す空気から吸熱して蒸発
する空気冷却手段である。エアミックスドア６３はヒー
タ６１を迂回して流れる冷風とヒータ６１を通過する温
風との風量割合を長得る調節する温度調節手段である。
そして、絞り２４より空気流れ下流側の空気通路内に
は、グラスウール等の吸音材６４が貼り付けられてい
る。

【００６４】次に、本実施形態の特徴的作動及びその効
果を述べる。

【００６５】外気温度や空調ケーシング６０に導入され
る空気温度が低下してサーモカップリング２６自身の温
度が低下すると、伝達することができる動力が増大する
ので、エアポンプ２１が稼動し、上述したように絞り２
４に絞られて温度が上昇した空気が空調ケーシング６０
内に流入し室内に吹き出される。

【００６６】したがって、外気温度や空調ケーシング６
０に導入される空気温度が低くく、ヒータ６１の熱源が
不足する可能性が高いときに、流体加熱装置にて加熱さ
れた空気を暖房用として室内に供給することができる。

【００６７】また、外気温度や空調ケーシング６０に導
入される空気温度が上昇してサーモカップリング２６自
身の温度が上昇すると、伝達することができる動力が減
少するので、エアポンプ２１の回転数が低下して吐出風
量及び吐出圧が低下し、流体加熱装置から供給される温
風の温度及び風量が低下していく。

【００６８】したがって、外気温度や空調ケーシング６
０に導入される空気温度が高く、ヒータ６１の熱源が十
分にあるとき、又は暖房の必要性が低いときには、自動
的にエアポンプ２１の稼働率が低下するので、効率よく
暖房補助を行うことができる。

【００６９】また、本実施形態では、エアポンプ２１の
ポンプ仕事量に相当する熱量を直接空気に与えるので、
効率よく補助暖房を行うことができる。

【００７０】また、絞り２４より空気流れ下流側の空気
通路に吸音材６４が設けられているので、絞り２４にて
発生した騒音を効率よく吸収することができる。

【００７１】（その他の実施形態）上述の実施形態で
は、エアポンプ２１としてウエスコ式のポンプを用いた
が、本発明はこれに限定されるものではなく、その他形
式のポンプであってもよい。

【００７２】なお、第１実施形態のごとく、エアポンプ
２１を直接駆動する場合には、体積型ポンプではなく、
渦流型のように流体摩擦を用いたポンプを使用すること
が望ましく、一方、第６実施形態のごとく、ビスカスカ
ップリングを介してポンプを駆動する場合には、体積型
ポンプを用いてもよい。

【００７３】また、本発明に係る流体加熱装置の適用
は、上述の実施形態に示されたものに限定されるもので
はない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る流体加熱装置の模
式図である。

【図２】本発明の第１実施形態におけるクランキングと
加熱温度との関係を示すグラフである。

【図３】本発明の第１実施形態に係るエアポンプの流量
特性を示すグラフである。

【図４】本発明の第２実施形態におけるクランキングと
加熱温度との関係を示すグラフである。

【図５】本発明の第３実施形態に係る流体加熱装置の模
式図である。

【図６】本発明の第４実施形態に係る流体加熱装置の模
式図である。

【図７】本発明の第５実施形態に係る流体加熱装置に適
用される差圧弁の模式図である。

【図８】本発明の第６実施形態に係る流体加熱装置の模
式図である。

【符号の説明】

１０…エンジン、１１…吸気管、１２…排気管、１２ａ
…三元触媒、２０…流体（吸気）加熱装置、２１…エア
ポンプ、２２…モータ、２３…再循環管、２４…絞り、
２５…差圧弁。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｍ 31/04 Ｆ０２Ｍ 31/04 Ａ Ｇ 31/08 ３０１ 31/08 ３０１Ａ 35/12 35/12 Ｈ

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体を循環させるポンプ（２１）と、 前記ポンプ（２１）から吐出された流体を前記ポンプ
   （２１）の吸入側に戻す再循環管（２３）と、 前記再循環管（２３）内に設けられ、流体流れを絞って
   流体温度を上昇させる絞り手段（２４）とを備えること
   を特徴とする流体加熱装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の流体加熱装置にて熱機
   関（１０）に吸入される燃焼用空気を加熱することを特
   徴とする熱機関の始動補助装置。
3. 【請求項３】 前記再循環管（２３）のうち前記ポンプ
   （２１）の吐出側に接続された部分が、前記熱機関（１
   ０）の排気を前記熱機関（１０）の吸気側に戻す排気再
   循環管（５１）に連結されており、 さらに、前記絞り手段（２４）は、前記再循環管（２
   ３）のうち前記ポンプ（２１）の吐出側に接続された部
   分に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の
   熱機関の始動補助装置。
4. 【請求項４】 少なくとも前記熱機関（１０）の始動時
   には、前記ポンプ（２１）は、前記熱機関（１０）と異
   なる駆動源（２２）にて駆動されることを特徴とする請
   求項２又は３のいずれか１つに記載の熱機関の始動補助
   装置。
5. 【請求項５】 前記ポンプ（２１）から吐出された空気
   を前記熱機関（１０）の排気側に供給する二次空気供給
   手段（３１、３２）を備えることを特徴とする請求項２
   ないし４のいずれか１つに記載の熱機関の始動補助装
   置。
6. 【請求項６】 前記再循環管（２３）のうち前記ポンプ
   （２１）の吐出側に接続された部分には、前記熱機関
   （１０）の吸気側と前記ポンプ（２１）の吐出側との圧
   力差が所定圧力差以上となったときに開く差圧弁（２
   ５）が設けられていることを特徴とする請求項５に記載
   の熱機関の始動補助装置。
7. 【請求項７】 前記差圧弁（２５）と前記絞り手段（２
   ４）とが一体化されていることを特徴とする請求項６に
   記載の熱機関の始動補助装置。
8. 【請求項８】 前記ポンプ（２１）から前記熱機関（１
   ０）の排気側に供給された空気が、前記ポンプ（２１）
   側に逆流することを防止する逆止弁（３３）を備えるこ
   とを特徴とする請求項５ないし７のいずれか１つに記載
   の熱機関の始動補助装置。
9. 【請求項９】 請求項１に記載の流体加熱装置にて室内
   に吹き出す空気を加熱することを特徴とする暖房装置。
10. 【請求項１０】 駆動源（２２）の動力を前記ポンプ
    （２１）に伝達する継ぎ手（２６）は、自身の温度が上
    昇すると伝達する動力が低下する温度式継ぎ手であるこ
    とを特徴とする請求項９に記載の暖房装置。
11. 【請求項１１】 前記絞り手段（２４）より空気流れ下
    流側の空気通路には、吸音材（６４）が設けられている
    ことを特徴とする請求項９又は１０に記載の暖房装置。