JP2004322918A

JP2004322918A - Air heater unit for vehicle, and air heater system for vehicle

Info

Publication number: JP2004322918A
Application number: JP2003122395A
Authority: JP
Inventors: Seigo Muramatsu; 誠五村松; Takahito Tsuchida; 貴人土田; Toshihiro Abe; 俊宏安部
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2003-04-25
Filing date: 2003-04-25
Publication date: 2004-11-18

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an air heater unit for a vehicle and an air heater system for the vehicle capable of easily controlling the energization of an air heater by a simple structure. <P>SOLUTION: The air heater system 200 for a vehicle comprises an air heater 101 having an electrothermal heating element 120 and a semi-conductor switch 110 which is connected to the electrothermal heating element 120 in series to control the energization to the air heater 101. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用エアヒータユニット及び車両用エアヒータシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、様々な車両用エアヒータユニットが提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。これらの車両用エアヒータユニットは、電熱式発熱体（ヒータエレメント）を備えており、例えば、内燃機関の吸気経路に設けられ、吸気を加熱するために用いられている。
【０００３】
【特許文献１】
特開０７−２１７５０８号公報（第２図）
【特許文献２】
特開０９−２４５９３９号公報（第８（ｂ）図）
【特許文献３】
特開２０００−２５７５１８号公報（第５，６頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、これらの車両用エアヒータユニットでは、電熱式発熱体に対する通電のＯＮ−ＯＦＦ切り替えは、いずれもリレースイッチを用いて行っていた。このため、車両用エアヒータユニットを含めた車両用エアヒータシステム全体の部品点数が多くなり、さらに、これらを接続するハーネスを取り回すスペースも大きくなっていた。さらに、車両用エアヒータには１００Ａ程度の大電流を用いるため、ＯＮ−ＯＦＦ切り替えを繰り返すことによってリレー接点が溶着してしまう虞があった。
【０００５】
また、リレースイッチでは、ＯＮ−ＯＦＦ切り替えの速度が遅いうえ、例えば、１０万回程度でリレー接点の寿命が尽きてしまうので、１つの電熱式発熱体を用いて、その通電のＯＮ−ＯＦＦを短時間で切り替えて加熱温度を調整することは、耐久性及び信頼性の点から実質的に実用困難であった。このため、特許文献２及び特許文献３では、個々にＯＮ−ＯＦＦ切り替えを可能とした複数の電熱式発熱体を用いることで、吸気に対する加熱温度を調節するようにしていた。このように、リレースイッチを用いた車両用エアヒータユニットでは、電熱式発熱体への通電制御が容易でなかった。
【０００６】
本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、簡易な構造で、エアヒータに対する通電制御を容易に行うことができる車両用エアヒータユニット及び車両用エアヒータシステムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
その解決手段は、電熱式発熱体を有するエアヒータと、上記電熱式発熱体に直列に接続され、上記電熱式発熱体への通電を制御する半導体スイッチと、を備える車両用エアヒータシステムである。
【０００８】
本発明のエアヒータシステムは、電熱式発熱体に直列に接続された半導体スイッチを用いて、この電熱式発熱体への通電を制御する。このため、本発明のエアヒータシステムは、従来のように、エアヒータのＯＮ−ＯＦＦ切り替えを行うためにリレースイッチを用いたエアヒータシステムに比して、構造が簡易になると共に信頼性及び耐久性が向上し、さらには低コストとなる。さらに、本発明のエアヒータシステムでは、半導体スイッチを用いていることから、エアヒータに対する通電制御（例えば、ＯＮ−ＯＦＦ制御、ＰＷＭ制御等）を容易に行うことができる。例えば、エアヒータの電熱式発熱体に直列に接続した半導体スイッチを、制御装置（例えば、ＥＣＵ）によってＯＮ−ＯＦＦさせることで、電熱式発熱体への通電制御を容易に行うことができる。また、半導体スイッチを用いることにより、リレースイッチに比して速い速度で電熱式発熱体へのＯＮ−ＯＦＦ切替えを行うことが可能となるので、電熱式発熱体に対する細かな（換言すれば、精度の良い）通電制御を実現することができる。
【０００９】
なお、半導体スイッチとしては、例えば、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＧＴＯ、サイリスタ等が挙げられる。また、これらの半導体スイッチの取付位置については特に限定されるものではなく、例えば、エアヒータに、半導体スイッチまたはこれを搭載した基板を固着して、両者を一体としても良い。あるいは、半導体スイッチまたはこれを搭載した基板を車両のボディ等に別途取付け、エアヒータと別体にしても良い。
【００１０】
さらに、上記の車両用エアヒータシステムであって、前記エアヒータへの通電制御がＰＷＭ制御である車両用エアヒータシステムとすると良い。
【００１１】
本発明のエアヒータシステムでは、半導体スイッチを用いてエアヒータについてＰＷＭ制御を行う。このため、本発明のエアヒータシステムでは、Ｄｕｔｙ比を調整することで、バッテリ電圧の変化を補正してエアヒータへの供給電力量を一定にすることができるなど、適切なエアヒータの温度制御、電力制御を行うことができる。特に、半導体スイッチを用いるため、ＰＷＭ制御における繰り返し周波数を、吸気管の寸法、吸気の流速、あるいはエアヒータの取付位置等に応じて適切に設定することができ、ＯＮ−ＯＦＦ切替えによる電熱式発熱体の温度の変動を抑え、加熱温度を略一定に保つことができる。
【００１２】
また、内燃機関では、運転状況に応じたヒートモードが要求されている。具体的には、まず、内燃機関を始動する際は、クランキング前に所定時間エアヒータに通電することで吸気を加熱する（以下、プリヒートともいう）。このように加熱された吸気によって内燃機関を予熱し、内燃機関の始動性を向上させることができる。さらに、内燃機関始動後は、運転状況に応じたアフターヒートを行う。アフターヒートには、アイドリング時の吸気加熱と、走行時の吸気加熱とがある。アイドリング時にはバッテリへの負担軽減のために吸気加熱を抑制すると良い。一方、走行時には内燃機関の回転数の増大に伴う吸気量の増大に対応して、吸気加熱を増大させる必要がある。
【００１３】
これに対し、本発明のエアヒータシステムでは、Ｄｕｔｙ比を調整することで、様々な内燃機関の運転状況に応じたヒートモードを実現することができる。このため、従来のように、複数の電熱式発熱体及びリレースイッチを設けて加熱調整を行う場合に比して、運転状況に応じて精度良く通電制御を行うことができると共に、部品点数が削減でき、省スペースである。
【００１４】
さらに、上記いずれかの車両用エアヒータシステムであって、前記半導体スイッチは、前記電熱式発熱体に流れる電流を検知可能とする電流検知用端子を有する電流検知機能付き半導体スイッチである車両用エアヒータシステムとすると良い。
【００１５】
一般に、エアヒータの電熱式発熱体は低抵抗であり、１２ボルト程度の電圧のバッテリから１００アンペア程度の大電流を電熱式発熱体に流して発熱させている。このため、エアヒータの電熱式発熱体を流れる電流を検知するために別途抵抗を挿入すると、電熱式発熱体にかかる電圧、電流が大きく低下する等の不具合が生じてしまう。また、別途抵抗等を挿入すると、エアヒータシステムの大型化につながってしまう。従って、従来の車両用エアヒータシステムにおいて、別途抵抗を挿入してエアヒータの電熱式発熱体を流れる電流を検知することは、現実的なものとは言い難かった。
【００１６】
これに対し、本発明のエアヒータシステムでは、電熱式発熱体に流れる電流を検知可能とする電流検知機能付き半導体スイッチを用いている。このため、この電流検知機能付き半導体スイッチの電流検知用端子を利用して、エアヒータの電熱式発熱体を流れる電流を検知することができる。これによって、例えば、電熱式発熱体に投入する電力を制御したり、エアヒータ（電熱式発熱体）が正常に作動しているかどうかを確認することができる。
【００１７】
さらに、上記車両用エアヒータシステムであって、前記半導体スイッチの前記電流検知用端子を用いて検知した前記電熱式発熱体に流れる前記電流に対応する出力に基づいて、上記電熱式発熱体の抵抗値を制御する抵抗値制御手段を有する車両用エアヒータシステムとすると良い。
【００１８】
本発明の車両用エアヒータシステムでは、電熱式発熱体に流れる電流に対応する出力に基づいて、電熱式発熱体の抵抗値を制御する。具体的には、例えば、電熱式発熱体に流れる電流と電熱式発熱体への印加電圧（バッテリ電圧）とを検知し、これらの値から電熱式発熱体の抵抗値を算出し、この抵抗値が所定の値となるように、電熱式発熱体への供給電力を制御する。電熱式発熱体の抵抗値とその温度とは所定の対応関係を有しているので、このように、電熱式発熱体の抵抗値が所定値となるように制御することで、電熱式発熱体の温度を所定の温度に制御することができる。なお、特に、抵抗係数の大きな材質で電熱式発熱体を構成した場合に、良好にその抵抗値を制御することができる。
【００１９】
さらに、上記いずれかの車両用エアヒータシステムであって、前記半導体スイッチの前記電流検知用端子を用いて検知した前記電熱式発熱体に流れる前記電流に対応する出力に基づいて上記電熱式発熱体の抵抗値を検知することで、上記電熱式発熱体の異常を検知する異常検知手段を有する車両用エアヒータシステムとすると良い。
【００２０】
近年、環境保護のため、内燃機関から漏れた未燃ガスを吸気側に戻して燃焼させ、未燃ガスを車外に排出させないようにする技術が提案されている。また、内燃機関の熱効率を高めるため、高温となっている排気の一部を吸気側に戻す技術（ＥＧＲ）も提案されている。ところが、このように、未燃ガスや排気を吸気側に戻すようにすると、未燃ガスや排気に含まれている汚損物質がエアヒータの電熱式発熱体に付着して、電熱式発熱体の抵抗値が低下し、さらには電熱式発熱体が短絡してしまう虞がある。他方、電熱式発熱体と半導体スイッチとの間の直列回路に対して過度の電力負荷が及ぶと、上記直列回路にて断線が生じる可能性もある。
【００２１】
これに対し、本発明のエアヒータシステムでは、電熱式発熱体に流れる電流に対応する出力に基づいて、電熱式発熱体の抵抗値を検知する。例えば、電熱式発熱体に流れる電流と電熱式発熱体への印加電圧（バッテリ電圧）とを検知することで、電熱式発熱体の抵抗値を得ることができる。そして、検知された抵抗値と下限基準抵抗値（例えば、電熱式発熱体の初期抵抗値×８０％）とを比較し、下限基準抵抗値を下回った場合（電熱式発熱体の異常）には、電熱式発熱体が汚損されていると判断できる。このように、エアヒータの電熱式発熱体の汚損状況を確認することができる。さらに、下限基準抵抗値を下回った場合に警告を発する警告装置等を別途設けるようにすれば、短絡防止対策等を促すことが可能となる。また、検知された抵抗値と上限基準抵抗値（例えば、電熱式発熱体の初期抵抗値×１２０％）とを比較し、上限基準抵抗値を上回った場合には、電熱式発熱体の断線を検知することができ、運転者にエアヒータシステムの異常を警告することが可能となる。
【００２２】
さらに、上記いずれかの車両用エアヒータシステムであって、前記エアヒータは、前記電熱式発熱体を保持する枠体を有し、前記半導体スイッチは、上記枠体に固着されてなる車両用エアヒータシステムとすると良い。
【００２３】
本発明の車両用エアヒータシステムでは、半導体スイッチをエアヒータの枠体に固着している。このため、半導体スイッチの取付場所を別途設ける必要がなく、省スペースである。また、半導体スイッチを別途車両に取付ける場合に比して、組付けの作業効率が良い。
【００２４】
他の解決手段は、電熱式発熱体及びこの電熱式発熱体を保持する枠体を有するエアヒータと、上記エアヒータの上記枠体に固着され、上記電熱式発熱体に直列に接続されて、上記電熱式発熱体への通電制御が可能な半導体スイッチと、を備える車両用エアヒータユニットである。
【００２５】
本発明の車両用エアヒータユニットは、電熱式発熱体に直列に接続され、この電熱式発熱体への通電制御が可能な半導体スイッチを備えている。このため、本発明の車両用エアヒータユニットを用いることで、エアヒータの電熱式発熱体への通電制御（例えば、ＯＮ−ＯＦＦ制御、ＰＷＭ制御等）を容易に行うことができる。また、半導体スイッチを用いることにより、リレースイッチに比して速い速度で電熱式発熱体へのＯＮ−ＯＦＦ切替えを行うことが可能となるので、電熱式発熱体に対する細かな（換言すれば、精度の良い）通電制御を実現することができる。
【００２６】
さらに、本発明の車両用エアヒータユニットでは、半導体スイッチをエアヒータの枠体に固着しているので、半導体スイッチの取付場所を別途設ける必要がなく、省スペースである。また、半導体スイッチを別途車両に取付ける場合に比して、組付けの作業効率が良い。
【００２７】
【発明の実施の形態】
（実施形態）
本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施形態の車両用エアヒータユニット１００を示す図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側面図である。車両用エアヒータユニット１００は、エアヒータ１０１と、半導体スイッチ１１０と、配線基板１７０とを有している。
【００２８】
エアヒータ１０１は、電熱式発熱体１２０と、これを保持する枠体１３０と、枠体１３０に固着されて電熱式発熱体１２０に電気的に接続する第１，第２，第３接続端子１４０，１５０，１６０とを有している。
このうち、枠体１３０は、アルミニウム合金からなり、ダイキャストによって略矩形環状に成型された金属体である。この枠体１３０には、表面１３０ｄと裏面１３０ｅとの間を貫通する４つの取付孔１３１、及び内側面１３０ｂと外側面１３０ｃとの間を貫通する第１貫通孔１３２ｂ、第２貫通孔１３２ｃ、第３貫通孔１３２ｄが形成されている。さらに、枠体１３０の内側面１３０ｂには、２つの凹部１３３が対向する位置に形成されている。
【００２９】
この２つの凹部１３３には、それぞれ、長手方向に直交する断面形状が略コの字状の金属ブラケット１３５が配置されている。さらに、この金属ブラケット１３５の内側（凹部内）には、それぞれ、インシュレータ１３６が板バネ１３７を間に介して設けられている。このため、板バネ１３７が電熱式発熱体１２０の屈曲部１２１に付勢されることによって、インシュレータ１３６及び金属ブラケット１３５が枠体１３０の凹部１３３に固定されている。
【００３０】
第１接続端子１４０は、金属製のボルトからなり、絶縁ワッシャ１８６を介して枠体１３０の第１貫通孔１３２ｂに挿設されている。第２接続端子１５０も、金属製のボルトからなり、絶縁ワッシャ１８６を介して枠体１３０の第２貫通孔１３２ｃに挿設されている。第３接続端子１６０も、金属製のボルトからなり、絶縁ワッシャ１８６を介して枠体１３０の第３貫通孔１３２ｄに挿設されている。なお、枠体１３０と第１，第２，第３接続端子１４０，１５０，１６０との絶縁を図るため、第１，第２，第３貫通孔１３２ｂ，１３２ｃ，１３２ｄ内には、それぞれ絶縁スリーブ１８５が嵌入されている。
【００３１】
電熱式発熱体１２０は、鉄−クロム合金からなる帯状の薄板を、蛇行形状に成形した発熱体である。この電熱式発熱体１２０は、円弧状に折り曲げられた複数の屈曲部１２１がインシュレータ１３６内に埋め込まれることで、電流的な絶縁を図りつつ枠体１３０に保持されている。さらに、電熱式発熱体１２０の両端部には貫通孔が形成されており、この貫通孔には第２，第３接続端子１５０，１６０が挿通している。このようにして、電熱式発熱体１２０が第２接続端子１５０と第３接続端子１６０とに電気的に接続されている。
【００３２】
図２は、半導体スイッチ１１０を示す図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側面図である。本実施形態では、半導体スイッチ１１０として、ｉｎｆｉｎｅｏｎｔｅｃｈｎｏｒｏｇｉｅｓ社製のＰＲＯＦＥＴ（商標名）、ＮＯ．ＢＴＳ５５０Ｐを用いた。この半導体スイッチ１１０は、ＭＯＳＦＥＴを基本構造とし、ＭＯＳＦＥＴのドレイン−ソース間を流れる電流Ｉ１に対し、所定比率（本実施形態では、１／２１０００）の電流Ｉ２が出力される構造となっている（図４参照）。
【００３３】
このような半導体スイッチ１１０は、本体部１１７と、この本体部１１７に接続する第１コネクタピン１１１〜第５コネクタピン１１５及びタブ１１６とを有している。本体部１１７は、スイッチ回路、及び自身を流れる電流を検知できる電流検出回路を有している。第３コネクタピン１１３とタブ１１６とは電気的に接続しており、両者は共に電源入力用端子である。第１，５コネクタピン１１１，１１５は、電力出力用端子である。第２コネクタピン１１２は、通電制御信号（ＯＮ−ＯＦＦ信号）入力用端子である。第４コネクタピン１１４は、電流検知用端子である。
【００３４】
配線基板１７０は、図３に示すように、アルミナセラミックからなる基板本体部１７５と、その主面１７５ｂ上に第１導体層１７１〜第４導体層１７４とを有する。基板本体部１７５には、第１，第２接続端子１４０，１５０を挿通可能な基板取付孔１７５ｃ，１７５ｄが形成されている。そして、第１導体層１７１は、貫通孔１７５ｃの周縁部を含む位置に形成されており、第１接続端子１４０を枠体１３０に取付けるとこれに接続する。第２導体層１７２は、貫通孔１７５ｄの周縁部を含む位置に形成されており、第２接続端子１５０を枠体１３０に取付けるとこれに接続する。第３，第４導体層１７３，１７４には、それぞれ、金属ピンからなる第３，第４端子１７３ｂ，１７４ｂが接続されている。この第３，第４端子１７３ｂ，１７４ｂには、それぞれ、ＥＣＵ（エンジンコンピュータユニット）２１０に接続するための導線１８２，１８４が、コネクタ端子１８３を介して接続されている（図１，図４参照）。
【００３５】
半導体スイッチ１１０は、図１に示すように、このような配線基板１７０に搭載され、この配線基板１７０を介して枠体１３０に固着される。具体的には、図３に示すように、半導体スイッチ１１０は、ハンダ接合によって、タブ１１６が第１導体層１７１と電気的に接続される。同様に、第１，５コネクタピン１１１，１１５が第２導体層１７２と、第２コネクタピン１１２が第３導体層１７３と、第４コネクタピン１１４が第４導体層１７４と電気的に接続される。このようにして半導体スイッチ１１０が搭載された配線基板１７０を、基板取付孔１７５ｃ，１７５ｄにそれぞれ第１，第２接続端子１４０，１５０を挿通させ、ナット１８７によって締結することで枠体１３０に固着する。なお、本実施形態では、第３コネクタピン１１３は、いずれも導体層にも接続されていない。また、第２接続端子１５０には、ＥＣＵ２１０に接続するための導線１８１に固着されているワッシャ端子１８１ｂをも挿通させている（図１，図４参照）。
【００３６】
また、本実施形態では、半導体スイッチ１１０及び配線基板１７０等の防水を図るために、シリコン樹脂によって半導体スイッチ１１０及び配線基板１７０等をモールドしている。具体的には、樹脂（ＰＰＳ）製の箱形状で、第１，第２接続端子１４０，１５０を挿通可能な取付孔１９０ｂ，１９０ｃが形成されたケーシング１９０を用意し、取付孔１９０ｂ，１９０ｃにそれぞれ第１，第２接続端子１４０，１５０を挿通させて、配線基板１７０より先に枠体１３０に配置する。そして、半導体スイッチ１１０等を搭載した配線基板１７０を上記のように取付けることで、これらがケーシング１９０内に配置される。その後、このケーシング１９０内を、シリコン樹脂によって充填することで、半導体スイッチ１１０及び配線基板１７０等を樹脂モールドすることができる。
【００３７】
このような車両用エアヒータユニット１００は、図示しないエアクリーナと内燃機関のインテークマニホールドとを連結する吸気経路に固設され、吸気の加熱を行う。具体的には、エアヒータ１０１の電熱式発熱体１２０が吸気経路内に位置するように、枠体１３０に設けられた４つの取付孔１３１を利用して、ボルトによって吸気経路に固定される。
【００３８】
ここで、このような車両用エアヒータユニット１００とＥＣＵ２１０とを備えた、本実施形態の車両用エアヒータシステム２００の回路図を図４に示す。
車両用エアヒータシステム２００は、第１接続端子１４０が片側端子を接地した車載バッテリ２２０と電気的に接続されている。これによって、半導体スイッチ１１０のタブ１１６と車載バッテリ２２０とが電気的に接続される。さらに、半導体スイッチ１１０の第１，５コネクタピン１１１，１１５が第２接続端子１５０に接続され、電熱式発熱体１２０を介して第３接続端子１６０が接地されている。このようにすることで、車載バッテリ２２０から半導体スイッチ１１０を介して電熱式発熱体１２０に電力が供給されるので、吸気経路内を流れる気体（吸入空気）を加熱することができる。なお、図４に示すように、半導体スイッチ１１０は、車載バッテリ２２０に接続され、電熱式発熱体１２０に直列に接続されている。
【００３９】
さらに、半導体スイッチ１１０の第２コネクタピン１１２は、導線１８２を介してＥＣＵ２１０に接続されている。このようにすることで、ＥＣＵ２１０によって半導体スイッチ１１０のＯＮ−ＯＦＦ切り替えを制御することができる。
また、第４コネクタピン１１４は、導線１８４を介してＥＣＵ２１０に接続されている。この半導体スイッチ１１０では、電熱式発熱体１２０に流れる電流Ｉ１に対し、所定比率（本実施形態では、１／２１０００）の電流Ｉ２が、第４コネクタピン１１４から出力されるように構成されている。一方、エアヒータ１０１の第２接続端子１５０が、導線１８１を介してＥＣＵ２１０に接続されている。このため、ＥＣＵ２１０において電熱式発熱体１２０にかかる電圧Ｖを検知することができ、この電圧Ｖと電流Ｉ２とを用いて電熱式発熱体１２０の抵抗値Ｒ１を算出できる。
【００４０】
そこで、車両用エアヒータシステム２００では、電熱式発熱体１２０の抵抗値Ｒ１が所定の抵抗値となるようにＰＷＭ制御を行うようにしている。電熱式発熱体１２０の抵抗値Ｒ１とその温度とは所定の対応関係を有しているので、電熱式発熱体１２０の抵抗値Ｒ１が所定の抵抗値となるようにＰＷＭ制御を行うことで、電熱式発熱体１２０の温度を所定の温度に制御することができる。具体的には、バッテリ２２０の電圧Ｖに応じて、半導体スイッチ１１０のＯＮ−ＯＦＦのＤｕｔｙ比を調整することで、電熱式発熱体１２０への供給電力を調整して、電熱式発熱体１２０の抵抗値Ｒ１が所定の抵抗値となるように制御することができる。従って、車両用エアヒータシステム２００では、吸気量の多少に拘わらず、電熱式発熱体１２０の温度を所定の温度に制御することができる。
【００４１】
また、半導体スイッチ１１０のＯＮ−ＯＦＦのＤｕｔｙ比を調整して、電熱式発熱体１２０の温度を多段階に調整することで、吸気温度を内燃機関の運転状況に適した温度にすることができる。このため、様々な内燃機関の運転状況に応じたヒートモードを実現することもできる。
【００４２】
ここで、車両用エアヒータシステム２００による吸気加熱について、図５に示すフローチャートを参照して説明する。
まず、エンジンのキースイッチがＯＮとなり、ＥＣＵ２１０に電圧が印加されてＥＣＵ２１０が起動すると、ステップＳ１において、ＥＣＵ２１０のプログラムを初期値に設定する。具体的には、プリヒート中フラグをセットし、プリヒートカウンタＴ１＝０、アフターヒートカウンタＴ２＝０に設定する。次いで、ステップＳ２に進み、プリヒート中フラグがセットされているかどうかを確認する。
【００４３】
プリヒート中フラグがセットされている場合には、ステップＳ３に進み、プリヒート通電を開始する。なお、本実施形態では、Ｄｕｔｙ比１００％でプリヒート通電が行われる。具体的には、導線１８２を介して半導体スイッチ１１０をＯＮにし続ける。次いで、ステップＳ４に進み、プリヒート継続時間に対応するプリヒートカウンタＴ１を積算する。具体的には、後述するように、ステップＳ７において、所定のサイクルタイムが経過する毎にステップＳ２に戻るようにしているため、ステップＳ４を通過する毎にプリヒートカウンタＴ１を、１ずつインクリメントする。次いで、ステップＳ５に進み、プリヒートカウンタＴ１がプリヒート終了時間に対応するプリヒート設定回数Ｔｐに達したかどうかを判定する。なお、本実施形態では、１回のサイクルタイムを０．０５秒に設定し、プリヒート設定回数Ｔｐを２００回、従ってプリヒート終了時間を１０秒に設定している。
【００４４】
ここで、プリヒートカウンタＴ１がプリヒート設定回数Ｔｐに達していない場合（ＮＯ）には、ステップＳ７に進み、サイクルタイムを経過したかどうかを判定し、サイクルタイムを経過するまでこの判定を繰り返す。サイクルタイムを経過すると、再びステップＳ２に戻り、上述した動作を繰り返してプリヒートを継続する。そして、ステップＳ５において、プリヒートカウンタＴ１がプリヒート設定回数Ｔｐに達した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ６に進み、プリヒート中フラグを解除する。次いで、ステップＳ７に進み、サイクルタイムの経過を待ってステップＳ２に戻る。
【００４５】
すると、ステップＳ２では、プリヒート中フラグがセットされていない（ＮＯ）と判断されるので、プリヒート期間を終了し、ステップＳ８に進む。ステップＳ８では、導線１８１を通じて、車載バッテリ２２０の電圧（電熱式発熱体１２０の印加電圧）Ｖを検知する。さらに、ステップＳ９では、導線１８４を通じて電流Ｉ２の電流を検知する。これにより、電熱式発熱体１２０を流れる電流Ｉ１の大きさが判る。次いで、ステップＳＡにおいて、ステップＳ８，Ｓ９で得られた電圧Ｖと電流Ｉ１との値から、電熱式発熱体１２０の抵抗値Ｒ１を算出する。
【００４６】
次いで、ステップＳＢに進み、電熱式発熱体１２０の抵抗値Ｒ１が、下限基準抵抗値ＴＨ１（本実施形態では、電熱式発熱体１２０の初期抵抗値Ｒｃ×８０％の値）と上限基準抵抗値ＴＨ２（本実施形態では、電熱式発熱体１２０の初期抵抗値Ｒｃ×１２０％の値）との間の値であるか否かを判定する。抵抗値Ｒ１が、下限基準抵抗値ＴＨ１より小さい場合、あるいは上限基準抵抗値ＴＨ２より大きい場合には、ステップＳＣに進み、エラー出力をする。このとき、ＥＣＵ２１０に接続された警告装置２３０（図４参照）によって、運転者にエアヒータシステム２００の異常を警告する（例えば、運転席の警告ランプを点灯させる）ことができる。その後、ステップＳＨに進み、アフターヒートを終了する。
【００４７】
抵抗値Ｒ１が、下限基準抵抗値ＴＨ１と上限基準抵抗値ＴＨ２との間にある場合には、ステップＳＤに進み、電熱式発熱体１２０の抵抗値Ｒ１が所定の抵抗値Ｒｂとなるように、アフターヒートにおけるＤｕｔｙ比を算出する。具体的には、電熱式発熱体１２０の抵抗値Ｒ１が、アフターヒートにおける所定の電熱式発熱体１２０の温度に対応する抵抗値Ｒｂとなるように、バッテリ２２０の電圧Ｖに応じた半導体スイッチ１１０のＯＮ−ＯＦＦのＤｕｔｙ比を算出する。このようにして算出されたＤｕｔｙ比を用いて電熱式発熱体１２０への供給電力の制御を行うことで、電熱式発熱体１２０の温度を所定の温度にすることができる。
【００４８】
次いで、ステップＳＥに進み、算出されたＤｕｔｙ比を用いてアフターヒートの通電を行う。具体的には、Ｄｕｔｙ比で決まる時間割合で、半導体スイッチ１１０のＯＮ−ＯＦＦを繰り返す。次いで、ステップＳＦに進み、アフターヒートカウンタＴ２を積算する。具体的には、プリヒートカウンタＴ１と同様に、ステップＳＥを通過する毎に、アフターヒートカウンタＴ２をインクリメントする。次いで、ステップＳＧに進み、アフターヒートカウンタＴ２がアフターヒート終了時間に対応するアフターヒート設定回数Ｔａに達したかどうかを判定する。なお、本実施形態では、アフターヒート設定回数Ｔａを１２０００回に、従って、アフターヒート終了時間を６００秒に設定している。
【００４９】
ここで、アフターヒートカウンタＴ２がアフターヒート設定回数Ｔａに達していない場合（ＮＯ）には、ステップＳ７に進み、サイクルタイムの経過を待って、再びステップＳ２に戻る。かくして、上述した動作を繰り返してアフターヒートを継続する。そして、ステップＳＧにおいて、アフターヒートカウンタＴ２がアフターヒート設定回数Ｔａに達した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳＨに進み、アフターヒートを終了する。本実施形態では、このようにして、プリヒート及びアフターヒート（ＰＷＭ制御による電熱式発熱体１２０の抵抗値制御）が行われる。
【００５０】
ところで、近年、環境保護のため、内燃機関から漏れた未燃ガスを吸気側に戻して燃焼させ、未燃ガスを車外に排出させないようにする技術が提案されている。また、内燃機関の熱効率を高めるため、高温となっている排気の一部を吸気側に戻す技術（ＥＧＲ）も提案されている。ところが、このように、未燃ガスや排気を吸気側に戻すようにすると、未燃ガスや排気に含まれている汚損物質がエアヒータ１０１の電熱式発熱体１２０に付着して、電熱式発熱体１２０の抵抗値が低下し、さらには電熱式発熱体１２０が短絡してしまう虞がある。
【００５１】
これに対し、車両用エアヒータシステム２００では、ステップＳＢにおいて、電熱式発熱体１２０の抵抗値Ｒ１が、下限基準抵抗値ＴＨ１と上限基準抵抗値ＴＨ２との間の値であるか否かを判定し、抵抗値Ｒ１が、下限基準抵抗値ＴＨ１より小さい場合、あるいは上限基準抵抗値ＴＨ２より大きい場合には、ステップＳＣにおいて、エラー出力をするようにしている。このため、ＥＣＵ２１０に接続された警告装置２３０（図４参照）によって、運転者にエアヒータシステム２００の異常（電熱式発熱体１２０の短絡等）を警告する（例えば、運転席の警告ランプを点灯させる）ことができる。
【００５２】
以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
【００５３】
例えば、実施形態では、ステップＳ５において、プリヒートカウンタＴ１がプリヒート設定回数Ｔｐに達した場合（プリヒート終了時間が経過した場合）に、プリヒートを終了してアフターヒートに移行するようにした。しかし、ヒートモード切り替え方法は、このような手法に限定されるものではなく、例えば、プリヒートにおいて、アフターヒートと同様にバッテリ２２０の電圧Ｖと電流Ｉ２とを検知して電熱式発熱体１２０の抵抗値Ｒ１を算出し、この抵抗値Ｒ１が所定の抵抗値に達した場合（すなわち、電熱式発熱体１２０が所定の温度に達した場合）に、次のヒートモード（実施形態ではアフターヒート）に切り替えるようにしても良い。あるいは、バッテリ２２０の電圧Ｖと電流Ｉ２とから電熱式発熱体１２０に投入した積算電力量を算出し、この積算電力量が所定値に達した場合に、次のヒートモードに切り替えるようにしても良い。プリヒート段階では、電熱式発熱体１２０の温度と積算電力量との間に対応関係があるからである。
【００５４】
また、実施形態では、半導体スイッチ１１０として、電熱式発熱体１２０に流す電流を検知できる第４コネクタピン１１４（電流検知用端子）を有している半導体スイッチを用いた。しかし、このような半導体スイッチに限定されるものではなく、電熱式発熱体１２０に流す電流をＯＮ−ＯＦＦできるスイッチとして機能するものであればいずれのものでも良く、例えば、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＧＴＯ、サイリスタ等を用いるようにしても良い。さらに、電流検知用端子を有しない半導体スイッチを用いた場合には、電流Ｉ２、電熱式発熱体１２０の抵抗値Ｒを検知することができない。そこで、この場合には、バッテリ２２０の電圧（電熱式発熱体１２０の印加電圧）Ｖに基づいて、Ｄｕｔｙ比を決めるようにすると良い。
【００５５】
また、実施形態では、半導体スイッチ１１０をエアヒータ１０１の枠体１３０に固着するようにした。しかし、半導体スイッチの取付位置はいずれの場所でも良く、例えば、車両のボディに別途取付けたり、ＥＣＵ２１０に内蔵するようにしても良い。
また、実施形態では、配線基板１７０を介して半導体スイッチ１１０を枠体１３０に固着したが、半導体スイッチを枠体１３０に直接固着するようにしても良い。
また、実施形態では、アルミナセラミックからなる配線基板１７０を用いたが、配線基板の材質はアルミナセラミックに限定されるものではない。例えば、表面に絶縁層を有する金属製の配線基板を用いるようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態にかかる車両用エアヒータユニット１００を示す図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側面図である。
【図２】実施形態にかかる車両用エアヒータユニット１００の半導体スイッチ１１０を示す図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側面図である。
【図３】実施形態にかかる車両用エアヒータユニット１００の半導体スイッチ１１０の電気的接続を説明する説明図である。
【図４】実施形態にかかる車両用エアヒータシステム２００の回路図である。
【図５】実施形態にかかるプリヒート及びアフターヒートの流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１００車両用エアヒータユニット
１０１エアヒータ
１１０半導体スイッチ
１１４第４コネクタピン（電流検知用端子）
１２０電熱式発熱体
１３０枠体
２００車両用エアヒータシステム[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a vehicle air heater unit and a vehicle air heater system.
[0002]
[Prior art]
BACKGROUND ART Conventionally, various vehicle air heater units have been proposed (for example, see Patent Literature 1, Patent Literature 2, and Patent Literature 3). These air heater units for a vehicle include an electric heating element (heater element), and are provided in, for example, an intake path of an internal combustion engine and used to heat intake air.
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-07-217508 (FIG. 2)
[Patent Document 2]
JP-A-09-245939 (FIG. 8 (b))
[Patent Document 3]
JP-A-2000-257518 (pages 5 and 6, FIG. 1)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in these vehicle air heater units, the ON / OFF switching of energization to the electrothermal heating element is performed using a relay switch. For this reason, the number of components of the entire vehicle air heater system including the vehicle air heater unit has increased, and the space for arranging the harnesses connecting these components has also increased. Furthermore, since a large current of about 100 A is used for the air heater for a vehicle, there is a risk that the relay contacts may be welded by repeating ON / OFF switching.
[0005]
Further, in the relay switch, the ON-OFF switching speed is slow and, for example, the life of the relay contact is exhausted after about 100,000 times, so that the ON / OFF of the energization is performed by using one electrothermal heating element. Adjusting the heating temperature by switching in a short time was practically difficult in terms of durability and reliability. For this reason, in Patent Literature 2 and Patent Literature 3, the heating temperature for the intake air is adjusted by using a plurality of electrothermal heating elements that can be individually turned on and off. As described above, in the vehicle air heater unit using the relay switch, it is not easy to control the energization of the electrothermal heating element.
[0006]
The present invention has been made in view of the above situation, and an object of the present invention is to provide a vehicle air heater unit and a vehicle air heater system that can easily perform energization control for an air heater with a simple structure.
[0007]
Means for Solving the Problems, Functions and Effects
The solution is an air heater system for a vehicle, comprising: an air heater having an electric heating element; and a semiconductor switch connected in series to the electric heating element to control energization of the electric heating element.
[0008]
The air heater system of the present invention controls the energization of the electric heating element by using a semiconductor switch connected in series to the electric heating element. For this reason, the air heater system of the present invention has a simplified structure and improved reliability and durability as compared with an air heater system using a relay switch for performing ON / OFF switching of the air heater as in the related art. In addition, the cost is reduced. Furthermore, in the air heater system of the present invention, since the semiconductor switch is used, the energization control (for example, ON-OFF control, PWM control, etc.) for the air heater can be easily performed. For example, by turning on and off a semiconductor switch connected in series to the electric heating element of the air heater by a control device (for example, an ECU), it is possible to easily control the energization of the electric heating element. In addition, by using a semiconductor switch, it is possible to perform ON-OFF switching to the electrothermal heating element at a speed higher than that of a relay switch. Good) energization control can be realized.
[0009]
In addition, as a semiconductor switch, MOSFET, IGBT, GTO, thyristor, etc. are mentioned, for example. The mounting positions of these semiconductor switches are not particularly limited. For example, a semiconductor switch or a substrate on which the semiconductor switch is mounted may be fixed to an air heater, and both may be integrated. Alternatively, the semiconductor switch or a board on which the semiconductor switch is mounted may be separately attached to a vehicle body or the like, and may be separated from the air heater.
[0010]
Further, in the above-described vehicle air heater system, it is preferable that the energization control to the air heater is PWM control.
[0011]
In the air heater system of the present invention, PWM control is performed on the air heater using a semiconductor switch. For this reason, in the air heater system of the present invention, by adjusting the duty ratio, it is possible to correct the change in the battery voltage and to keep the amount of electric power supplied to the air heater constant. It can be performed. In particular, since a semiconductor switch is used, the repetition frequency in the PWM control can be appropriately set according to the size of the intake pipe, the flow rate of the intake air, the mounting position of the air heater, and the like. And the heating temperature can be kept substantially constant.
[0012]
Further, in the internal combustion engine, a heat mode according to the operating condition is required. Specifically, first, when starting the internal combustion engine, the intake air is heated by energizing the air heater for a predetermined time before cranking (hereinafter also referred to as preheating). The internal combustion engine is preheated by the intake air heated in this way, and the startability of the internal combustion engine can be improved. Further, after the internal combustion engine is started, after-heating according to the operating condition is performed. The after heat includes intake air heating during idling and intake air heating during running. When idling, it is preferable to suppress intake air heating in order to reduce the load on the battery. On the other hand, during traveling, it is necessary to increase intake air heating in response to an increase in intake air amount accompanying an increase in the rotation speed of the internal combustion engine.
[0013]
On the other hand, in the air heater system of the present invention, by adjusting the duty ratio, a heat mode corresponding to various operating conditions of the internal combustion engine can be realized. For this reason, compared with the case where the heating adjustment is performed by providing a plurality of electrothermal heating elements and relay switches as in the related art, the energization control can be performed with high accuracy according to the operating condition, and the number of parts is reduced. Space saving.
[0014]
Further, in any one of the above vehicle air heater systems, the semiconductor switch is a semiconductor switch having a current detection function having a current detection terminal capable of detecting a current flowing through the electrothermal heating element. It is good to
[0015]
Generally, an electric heating element of an air heater has a low resistance, and a large current of about 100 amperes flows from a battery having a voltage of about 12 volts to the electric heating element to generate heat. Therefore, if a resistor is separately inserted to detect the current flowing through the electrothermal heating element of the air heater, problems such as a large decrease in the voltage and current applied to the electrothermal heating element occur. Further, if a resistor or the like is separately inserted, it leads to an increase in the size of the air heater system. Therefore, in the conventional air heater system for a vehicle, it is hardly realistic to detect a current flowing through the electrothermal heating element of the air heater by inserting a separate resistor.
[0016]
On the other hand, the air heater system of the present invention uses a semiconductor switch with a current detection function that can detect a current flowing through the electrothermal heating element. Therefore, the current flowing through the electrothermal heating element of the air heater can be detected by using the current detection terminal of the semiconductor switch having the current detection function. Thus, for example, it is possible to control the electric power supplied to the electric heating element and to check whether the air heater (electric heating element) is operating normally.
[0017]
Further, in the vehicle air heater system, the resistance value of the electrothermal heating element based on an output corresponding to the current flowing through the electrothermal heating element detected using the current detection terminal of the semiconductor switch. It is preferable to provide a vehicle air heater system having a resistance value control means for controlling the air temperature.
[0018]
In the air heater system for a vehicle according to the present invention, the resistance value of the electric heating element is controlled based on the output corresponding to the current flowing through the electric heating element. Specifically, for example, a current flowing through the electric heating element and a voltage (battery voltage) applied to the electric heating element are detected, and a resistance value of the electric heating element is calculated from these values. Is controlled so as to be a predetermined value. Since the resistance value of the electrothermal heating element and its temperature have a predetermined correspondence relationship, by controlling the resistance value of the electrothermal heating element to be a predetermined value, the electric heating element is controlled. Can be controlled to a predetermined temperature. In particular, when the electrothermal heating element is made of a material having a large resistance coefficient, the resistance value can be favorably controlled.
[0019]
Further, in any of the above-described vehicle air heater systems, the electric heating element based on an output corresponding to the current flowing through the electric heating element detected using the current detection terminal of the semiconductor switch. An air heater system for a vehicle having abnormality detecting means for detecting an abnormality of the electrothermal heating element by detecting a resistance value is preferable.
[0020]
In recent years, for environmental protection, a technique has been proposed in which unburned gas leaked from an internal combustion engine is returned to the intake side and burned, so that the unburned gas is not discharged outside the vehicle. Further, a technique (EGR) for returning a part of the exhaust gas having a high temperature to the intake side has been proposed in order to enhance the thermal efficiency of the internal combustion engine. However, when the unburned gas and the exhaust gas are returned to the intake side, the pollutants contained in the unburned gas and the exhaust gas adhere to the electric heating element of the air heater, and the resistance of the electric heating element is reduced. The value may be reduced, and the electric heating element may be short-circuited. On the other hand, if an excessive power load is applied to the series circuit between the electrothermal heating element and the semiconductor switch, the series circuit may be disconnected.
[0021]
On the other hand, in the air heater system of the present invention, the resistance value of the electric heating element is detected based on the output corresponding to the current flowing through the electric heating element. For example, the resistance value of the electrothermal heating element can be obtained by detecting the current flowing through the electrothermal heating element and the voltage (battery voltage) applied to the electrothermal heating element. Then, the detected resistance value is compared with a lower limit reference resistance value (for example, the initial resistance value of the electrothermal heating element × 80%), and when the detected resistance value falls below the lower reference resistance value (abnormality of the electrothermal heating element). It can be determined that the electrothermal heating element is contaminated. In this manner, the state of contamination of the electrothermal heating element of the air heater can be confirmed. Further, if a warning device or the like that issues a warning when the resistance value falls below the lower limit reference resistance value is separately provided, it is possible to promote a short-circuit prevention measure or the like. In addition, the detected resistance value is compared with an upper limit reference resistance value (for example, the initial resistance value of the electrothermal heating element × 120%). Thus, the driver can be alerted of the abnormality of the air heater system.
[0022]
Further, in any one of the above-described vehicle air heater systems, the air heater has a frame body that holds the electrothermal heating element, and the semiconductor switch is fixed to the frame body. Good.
[0023]
In the vehicle air heater system according to the present invention, the semiconductor switch is fixed to the frame of the air heater. Therefore, there is no need to separately provide a mounting location for the semiconductor switch, and the space is saved. Also, assembling work efficiency is higher than when a semiconductor switch is separately mounted on a vehicle.
[0024]
Another solution is an air heater having an electric heating element and a frame holding the electric heating element, and an air heater fixed to the frame of the air heater, connected in series to the electric heating element, and And a semiconductor switch capable of controlling energization of the heating element.
[0025]
An air heater unit for a vehicle according to the present invention includes a semiconductor switch connected in series to an electric heating element and capable of controlling the energization of the electric heating element. For this reason, by using the vehicle air heater unit of the present invention, it is possible to easily control the energization of the electric heater of the air heater (for example, ON-OFF control, PWM control, etc.). In addition, by using a semiconductor switch, it is possible to perform ON-OFF switching to the electrothermal heating element at a speed higher than that of a relay switch. Good) energization control can be realized.
[0026]
Further, in the vehicle air heater unit of the present invention, since the semiconductor switch is fixed to the frame of the air heater, there is no need to separately provide a mounting place for the semiconductor switch, and the space is saved. Also, assembling work efficiency is higher than when a semiconductor switch is separately mounted on a vehicle.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(Embodiment)
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
1A and 1B are diagrams showing a vehicle air heater unit 100 according to the present embodiment, wherein FIG. 1A is a plan view thereof, and FIG. 1B is a side view thereof. The vehicle air heater unit 100 includes an air heater 101, a semiconductor switch 110, and a wiring board 170.
[0028]
The air heater 101 includes an electric heating element 120, a frame 130 holding the same, and first, second, and third connection terminals 140 fixed to the frame 130 and electrically connected to the electric heating element 120. 150 and 160.
The frame body 130 is a metal body made of an aluminum alloy and formed into a substantially rectangular ring shape by die casting. The frame 130 has four mounting holes 131 penetrating between the front surface 130d and the rear surface 130e, and first and second through holes 132b and 132c penetrating between the inner side surface 130b and the outer side surface 130c. A third through hole 132d is formed. Further, two recesses 133 are formed on the inner side surface 130b of the frame body 130 at positions facing each other.
[0029]
In each of the two concave portions 133, a metal bracket 135 having a substantially U-shaped cross section orthogonal to the longitudinal direction is disposed. Further, inside the metal bracket 135 (inside the concave portion), an insulator 136 is provided via a leaf spring 137 therebetween. For this reason, the insulator 136 and the metal bracket 135 are fixed to the concave portion 133 of the frame 130 by urging the leaf spring 137 against the bent portion 121 of the electric heating element 120.
[0030]
The first connection terminal 140 is made of a metal bolt, and is inserted into the first through hole 132b of the frame 130 via an insulating washer 186. The second connection terminal 150 is also made of a metal bolt, and is inserted into the second through hole 132c of the frame 130 via an insulating washer 186. The third connection terminal 160 is also made of a metal bolt, and is inserted into the third through hole 132 d of the frame 130 via an insulating washer 186. In order to insulate the frame 130 from the first, second, and third connection terminals 140, 150, and 160, an insulating sleeve is provided in each of the first, second, and third through holes 132b, 132c, and 132d. 185 are inserted.
[0031]
The electric heating element 120 is a heating element formed by forming a strip-shaped thin plate made of an iron-chromium alloy into a meandering shape. The electric heating type heating element 120 is held by the frame body 130 while current insulation is achieved by embedding a plurality of bent portions 121 bent in an arc shape in the insulator 136. Further, through holes are formed at both ends of the electrothermal heating element 120, and the second and third connection terminals 150 and 160 are inserted through the through holes. In this way, the electric heating element 120 is electrically connected to the second connection terminal 150 and the third connection terminal 160.
[0032]
2A and 2B are diagrams showing the semiconductor switch 110, wherein FIG. 2A is a plan view thereof, and FIG. 2B is a side view thereof. In the present embodiment, as the semiconductor switch 110, PROFET (trade name) manufactured by infineon technologies, NO. BTS550P was used. The semiconductor switch 110 has a basic structure of a MOSFET, and has a structure in which a current I2 at a predetermined ratio (1/21000 in the present embodiment) is output with respect to a current I1 flowing between the drain and source of the MOSFET. (See FIG. 4).
[0033]
Such a semiconductor switch 110 has a main body 117, and first to fifth connector pins 111 to 115 and a tab 116 connected to the main body 117. The main body 117 has a switch circuit and a current detection circuit capable of detecting a current flowing through itself. The third connector pin 113 and the tab 116 are electrically connected, and both are power input terminals. The first and fifth connector pins 111 and 115 are power output terminals. The second connector pin 112 is a terminal for inputting a conduction control signal (ON-OFF signal). The fourth connector pin 114 is a current detection terminal.
[0034]
As shown in FIG. 3, the wiring substrate 170 has a substrate main body 175 made of alumina ceramic and a first conductor layer 171 to a fourth conductor layer 174 on the main surface 175b. The board body 175 has board mounting holes 175c and 175d through which the first and second connection terminals 140 and 150 can be inserted. The first conductor layer 171 is formed at a position including the peripheral portion of the through hole 175c, and is connected to the first connection terminal 140 when the first connection terminal 140 is attached to the frame 130. The second conductor layer 172 is formed at a position including the periphery of the through hole 175d, and is connected to the second connection terminal 150 when the second connection terminal 150 is attached to the frame 130. Third and fourth terminals 173b and 174b made of metal pins are connected to the third and fourth conductor layers 173 and 174, respectively. Conductive wires 182 and 184 for connection to an ECU (engine computer unit) 210 are connected to the third and fourth terminals 173b and 174b via connector terminals 183, respectively (see FIGS. 1 and 4). ).
[0035]
The semiconductor switch 110 is mounted on such a wiring board 170 as shown in FIG. 1, and is fixed to the frame 130 via the wiring board 170. Specifically, as shown in FIG. 3, in the semiconductor switch 110, the tab 116 is electrically connected to the first conductor layer 171 by solder bonding. Similarly, the first and fifth connector pins 111 and 115 are electrically connected to the second conductor layer 172, the second connector pin 112 is electrically connected to the third conductor layer 173, and the fourth connector pin 114 is electrically connected to the fourth conductor layer 174. You. The wiring board 170 on which the semiconductor switch 110 is mounted in this manner is fixed to the frame body 130 by inserting the first and second connection terminals 140 and 150 through the board mounting holes 175c and 175d and fastening them with the nuts 187. I do. In the present embodiment, none of the third connector pins 113 is connected to the conductor layer. Further, a washer terminal 181b fixed to a conductor 181 for connection to the ECU 210 is also inserted through the second connection terminal 150 (see FIGS. 1 and 4).
[0036]
In the present embodiment, the semiconductor switch 110, the wiring board 170, and the like are molded with a silicone resin in order to waterproof the semiconductor switch 110, the wiring board 170, and the like. Specifically, a casing 190 having a box shape made of resin (PPS) and having mounting holes 190b and 190c through which the first and second connection terminals 140 and 150 can be inserted is prepared. The first and second connection terminals 140 and 150 are respectively inserted through the first and second connection terminals 140 and 150, and are arranged on the frame 130 before the wiring board 170. Then, by mounting the wiring board 170 on which the semiconductor switch 110 and the like are mounted as described above, these are arranged in the casing 190. Thereafter, by filling the inside of the casing 190 with a silicone resin, the semiconductor switch 110, the wiring board 170, and the like can be resin-molded.
[0037]
Such a vehicle air heater unit 100 is fixed to an intake path connecting an air cleaner (not shown) and an intake manifold of an internal combustion engine, and heats intake air. Specifically, the air heater 101 is fixed to the intake passage by bolts using the four mounting holes 131 provided in the frame 130 so that the electrothermal heating element 120 of the air heater 101 is located in the intake passage.
[0038]
Here, FIG. 4 shows a circuit diagram of a vehicle air heater system 200 of the present embodiment including such a vehicle air heater unit 100 and the ECU 210.
In the vehicle air heater system 200, the first connection terminal 140 is electrically connected to the vehicle-mounted battery 220 having one terminal grounded. As a result, the tab 116 of the semiconductor switch 110 and the vehicle battery 220 are electrically connected. Further, the first and fifth connector pins 111 and 115 of the semiconductor switch 110 are connected to the second connection terminal 150, and the third connection terminal 160 is grounded via the electric heating element 120. By doing so, electric power is supplied from the vehicle-mounted battery 220 to the electrothermal heating element 120 via the semiconductor switch 110, so that the gas (intake air) flowing in the intake path can be heated. As shown in FIG. 4, the semiconductor switch 110 is connected to the vehicle-mounted battery 220 and connected in series to the electric heating element 120.
[0039]
Further, the second connector pin 112 of the semiconductor switch 110 is connected to the ECU 210 via a conductor 182. By doing so, the ON / OFF switching of the semiconductor switch 110 can be controlled by the ECU 210.
The fourth connector pin 114 is connected to the ECU 210 via a conductor 184. The semiconductor switch 110 is configured so that a current I2 at a predetermined ratio (1/21000 in the present embodiment) is output from the fourth connector pin 114 with respect to the current I1 flowing through the electrothermal heating element 120. . On the other hand, the second connection terminal 150 of the air heater 101 is connected to the ECU 210 via the conducting wire 181. Therefore, the voltage V applied to the electric heating element 120 can be detected by the ECU 210, and the resistance value R1 of the electric heating element 120 can be calculated using the voltage V and the current I2.
[0040]
Therefore, in the vehicle air heater system 200, PWM control is performed so that the resistance value R1 of the electric heating element 120 becomes a predetermined resistance value. Since the resistance value R1 of the electric heating element 120 and its temperature have a predetermined correspondence relationship, by performing PWM control so that the resistance value R1 of the electric heating element 120 becomes a predetermined resistance value, The temperature of the electrothermal heating element 120 can be controlled to a predetermined temperature. Specifically, by adjusting the ON / OFF duty ratio of the semiconductor switch 110 according to the voltage V of the battery 220, the power supply to the electrothermal heating element 120 is adjusted, Control can be performed so that the resistance value R1 becomes a predetermined resistance value. Therefore, in the vehicle air heater system 200, the temperature of the electrothermal heating element 120 can be controlled to a predetermined temperature regardless of the amount of intake air.
[0041]
Also, by adjusting the ON-OFF duty ratio of the semiconductor switch 110 and adjusting the temperature of the electrothermal heating element 120 in multiple stages, the intake air temperature can be adjusted to a temperature suitable for the operating condition of the internal combustion engine. . For this reason, it is also possible to realize a heat mode corresponding to various operating conditions of the internal combustion engine.
[0042]
Here, the intake air heating by the vehicle air heater system 200 will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
First, when a key switch of the engine is turned on and a voltage is applied to the ECU 210 to start the ECU 210, in step S1, the program of the ECU 210 is set to an initial value. Specifically, the preheat flag is set, and the preheat counter T1 = 0 and the afterheat counter T2 = 0. Next, the process proceeds to step S2, where it is determined whether the preheating flag is set.
[0043]
If the preheating flag is set, the process proceeds to step S3 to start preheating energization. In the present embodiment, the preheating energization is performed at a duty ratio of 100%. Specifically, the semiconductor switch 110 is kept turned on via the conducting wire 182. Next, the process proceeds to step S4, where a preheat counter T1 corresponding to the preheat continuation time is integrated. More specifically, as described later, in step S7, the process returns to step S2 every time a predetermined cycle time elapses, so that the preheat counter T1 is incremented by one each time step S4 is passed. Next, the process proceeds to step S5, where it is determined whether the preheat counter T1 has reached the preheat set number of times Tp corresponding to the preheat end time. In the present embodiment, one cycle time is set to 0.05 seconds, the preheat set number Tp is set to 200 times, and therefore, the preheat end time is set to 10 seconds.
[0044]
If the preheat counter T1 has not reached the preheat set number of times Tp (NO), the process proceeds to step S7, where it is determined whether or not the cycle time has elapsed, and this determination is repeated until the cycle time has elapsed. After the elapse of the cycle time, the flow returns to step S2 again, and the above operation is repeated to continue the preheating. Then, in step S5, when the preheat counter T1 has reached the preheat set number of times Tp (YES), the process proceeds to step S6, and the preheat flag is released. Next, the process proceeds to step S7, and returns to step S2 after elapse of the cycle time.
[0045]
Then, in step S2, it is determined that the preheating flag is not set (NO), so the preheating period ends, and the process proceeds to step S8. In step S <b> 8, the voltage V (the voltage applied to the electrothermal heating element 120) of the on-vehicle battery 220 is detected through the conductor 181. Further, in step S9, the current I2 is detected through the conductor 184. Thus, the magnitude of the current I1 flowing through the electrothermal heating element 120 can be determined. Next, in step SA, the resistance value R1 of the electrothermal heating element 120 is calculated from the values of the voltage V and the current I1 obtained in steps S8 and S9.
[0046]
Next, the process proceeds to step SB, where the resistance value R1 of the electric heating element 120 is set to the lower reference resistance value TH1 (in the present embodiment, the initial resistance value Rc × 80% of the electric heating element 120) and the upper reference resistance value. It is determined whether the value is equal to TH2 (in the present embodiment, the initial resistance value Rc × 120% of the electrothermal heating element 120). If the resistance value R1 is smaller than the lower-limit reference resistance value TH1 or larger than the upper-limit reference resistance value TH2, the process proceeds to step SC and outputs an error. At this time, the warning device 230 (see FIG. 4) connected to the ECU 210 can warn the driver of the abnormality of the air heater system 200 (for example, turn on a warning lamp in the driver's seat). Thereafter, the process proceeds to step SH, and the after heat is ended.
[0047]
If the resistance value R1 is between the lower-limit reference resistance value TH1 and the upper-limit reference resistance value TH2, the process proceeds to step SD, so that the resistance value R1 of the electrothermal heating element 120 becomes a predetermined resistance value Rb. The duty ratio in after heat is calculated. Specifically, the semiconductor switch 110 according to the voltage V of the battery 220 is set such that the resistance value R1 of the electric heating element 120 becomes a resistance value Rb corresponding to a predetermined temperature of the electric heating element 120 in after-heating. Of ON-OFF is calculated. By controlling the power supplied to the electrothermal heating element 120 using the duty ratio calculated in this manner, the temperature of the electrothermal heating element 120 can be set to a predetermined temperature.
[0048]
Next, the process proceeds to step SE, where the after-heat is energized by using the calculated duty ratio. Specifically, the ON / OFF of the semiconductor switch 110 is repeated at a time ratio determined by the duty ratio. Next, the process proceeds to step SF, where the after heat counter T2 is integrated. Specifically, similarly to the pre-heat counter T1, the after-heat counter T2 is incremented every time the step SE is passed. Next, the routine proceeds to step SG, where it is determined whether or not the afterheat counter T2 has reached the afterheat set number Ta corresponding to the afterheat end time. In this embodiment, the after-heat setting number Ta is set to 12000 times, and accordingly, the after-heat ending time is set to 600 seconds.
[0049]
If the after-heat counter T2 has not reached the after-heat set number Ta (NO), the process proceeds to step S7, waits for the elapse of the cycle time, and returns to step S2 again. Thus, the above-described operation is repeated to continue the after-heating. Then, in step SG, when the afterheat counter T2 has reached the afterheat set number Ta (YES), the process proceeds to step SH, and the afterheat is ended. In the present embodiment, preheating and afterheating (resistance control of the electrothermal heating element 120 by PWM control) are performed in this manner.
[0050]
By the way, in recent years, for environmental protection, a technique has been proposed in which unburned gas leaked from an internal combustion engine is returned to the intake side and burned, and the unburned gas is not discharged outside the vehicle. Further, a technique (EGR) for returning a part of the exhaust gas having a high temperature to the intake side has been proposed in order to enhance the thermal efficiency of the internal combustion engine. However, when the unburned gas and the exhaust gas are returned to the intake side, the pollutant contained in the unburned gas and the exhaust gas adheres to the electrothermal heating element 120 of the air heater 101, and the electric heating element There is a possibility that the resistance value of the heating element 120 may decrease, and furthermore, the electrothermal heating element 120 may be short-circuited.
[0051]
On the other hand, in step SB, the vehicle air heater system 200 determines whether the resistance value R1 of the electrothermal heating element 120 is a value between the lower reference resistance value TH1 and the upper reference resistance value TH2. If the resistance value R1 is smaller than the lower-limit reference resistance value TH1 or larger than the upper-limit reference resistance value TH2, an error is output in step SC. For this reason, the warning device 230 (see FIG. 4) connected to the ECU 210 warns the driver of an abnormality of the air heater system 200 (for example, a short circuit of the electric heating element 120) (for example, turns on a warning lamp in the driver's seat). )be able to.
[0052]
In the above, the present invention has been described in accordance with the embodiments. However, it is needless to say that the present invention is not limited to the above embodiments, and can be appropriately modified and applied without departing from the gist thereof.
[0053]
For example, in the embodiment, in step S5, when the preheat counter T1 has reached the set number of preheat times Tp (when the preheat end time has elapsed), the preheat is ended and the process shifts to the afterheat. However, the heat mode switching method is not limited to such a method. For example, in preheating, the voltage V and the current I2 of the battery 220 are detected and the resistance of the electrothermal heating element 120 is detected in the same manner as in afterheating. A value R1 is calculated, and when the resistance value R1 reaches a predetermined resistance value (that is, when the electrothermal heating element 120 reaches a predetermined temperature), the next heating mode (after heating in the embodiment) is performed. You may make it switch. Alternatively, the integrated power amount supplied to the electrothermal heating element 120 is calculated from the voltage V and the current I2 of the battery 220, and when the integrated power amount reaches a predetermined value, the next heat mode is switched. good. This is because in the preheating stage, there is a correspondence between the temperature of the electrothermal heating element 120 and the integrated electric energy.
[0054]
In the embodiment, a semiconductor switch having a fourth connector pin 114 (current detection terminal) capable of detecting a current flowing through the electrothermal heating element 120 is used as the semiconductor switch 110. However, the present invention is not limited to such a semiconductor switch, and any switch may be used as long as it functions as a switch capable of turning on and off the current flowing through the electrothermal heating element 120. For example, MOSFET, IGBT, GTO, A thyristor or the like may be used. Further, when a semiconductor switch having no current detection terminal is used, the current I2 and the resistance value R of the electrothermal heating element 120 cannot be detected. Therefore, in this case, the duty ratio may be determined based on the voltage V of the battery 220 (the voltage applied to the electrothermal heating element 120).
[0055]
In the embodiment, the semiconductor switch 110 is fixed to the frame 130 of the air heater 101. However, the mounting position of the semiconductor switch may be any position. For example, the semiconductor switch may be separately mounted on the body of the vehicle, or may be built in the ECU 210.
In the embodiment, the semiconductor switch 110 is fixed to the frame 130 via the wiring board 170, but the semiconductor switch may be fixed directly to the frame 130.
In the embodiment, the wiring board 170 made of alumina ceramic is used, but the material of the wiring board is not limited to alumina ceramic. For example, a metal wiring board having an insulating layer on the surface may be used.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a vehicle air heater unit 100 according to an embodiment, wherein (a) is a plan view and (b) is a side view.
FIG. 2 is a view showing a semiconductor switch 110 of the vehicle air heater unit 100 according to the embodiment, wherein (a) is a plan view and (b) is a side view.
FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating electrical connection of a semiconductor switch 110 of the vehicle air heater unit 100 according to the embodiment.
FIG. 4 is a circuit diagram of a vehicle air heater system 200 according to the embodiment.
FIG. 5 is a flowchart showing the flow of preheating and afterheating according to the embodiment.
[Explanation of symbols]
100 Vehicle air heater unit
101 Air heater
110 semiconductor switch
114 4th connector pin (current detection terminal)
120 Electric heating element
130 frame
200 Air heater system for vehicles

Claims

An air heater having an electric heating element,
A semiconductor switch that is connected in series to the electrothermal heating element and controls energization to the electrothermal heating element;
A vehicle air heater system comprising:

The vehicle air heater system according to claim 1, wherein
An air heater system for a vehicle, wherein the energization control to the air heater is PWM control.

The vehicle air heater system according to claim 1 or 2, wherein
The air heater system for a vehicle, wherein the semiconductor switch is a semiconductor switch having a current detection function having a current detection terminal capable of detecting a current flowing through the electrothermal heating element.

The vehicle air heater system according to claim 3, wherein
For a vehicle having resistance value control means for controlling a resistance value of the electrothermal heating element based on an output corresponding to the current flowing through the electrothermal heating element detected using the current detection terminal of the semiconductor switch. Air heater system.

The vehicle air heater system according to claim 3 or 4, wherein
A resistance value of the electrothermal heating element is detected based on an output corresponding to the current flowing through the electrothermal heating element detected using the current detection terminal of the semiconductor switch, and an abnormality of the electrothermal heating element is detected. An air heater system for a vehicle having an abnormality detecting means for detecting.

An air heater system for a vehicle according to any one of claims 1 to 5,
The air heater has a frame that holds the electrothermal heating element,
An air heater system for a vehicle, wherein the semiconductor switch is fixed to the frame.

An air heater having an electrothermal heating element and a frame holding the electrothermal heating element,
A semiconductor switch fixed to the frame body of the air heater, connected in series to the electrothermal heating element, and capable of controlling energization of the electrothermal heating element;
A vehicle air heater unit comprising: