JP4055550B2 - エンジンの吸気加熱冷却装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジン吸気の加熱を行なうエンジンの吸気加熱装置と、エンジン吸気の冷却を行なうエンジンの吸気冷却装置とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの吸入空気温度は、高くすると燃料気化が促進される等の理由により省燃費となるが、吸入空気の比容積が大きくなるため、吸入できる空気の最大流量（重量流量）が減少してしまうため出力の低下につながる。また逆に、吸入空気温度を低くすると吸入空気の比容積が小さくなるため、吸入できる空気の最大流量（重量流量）が増大して出力が向上する。そこで、アイドル時や低出力時には吸入空気を加熱し、高出力時には吸入空気を冷却することが望ましい。
【０００３】
吸入空気の加熱手段は、例えば周知の燃焼式ヒータ等で数多く提案されている。また、吸入空気の冷却手段は、例えば周知のインタークーラ等の空冷式が一般的であるが、ある一定限度までしか冷却効率を上げられないことより、特許文献１に開示されるように、車両に装着されている空調装置の冷凍サイクルを利用して吸気冷却を行なうことも考えられている。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭６３−２５５５１６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の技術において、同じ装置を用いて吸入空気の加熱と冷却とを行なう手段はいまだ提案されていない。本発明は、上記従来技術に鑑みて成されたものであり、その目的は、同じ装置を用いて吸入空気の加熱と冷却とができるエンジンの吸気加熱冷却装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、下記の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、動力源となるエンジン（１）と、凝縮蒸発部（１０ｂ）をエンジン（１）への吸気通路（２）に配置し、エンジン（１）の冷却水熱で加熱することにより冷媒を脱離し、外気で冷却することにより冷媒を吸着する吸着器（１０）と、冷却水を冷却する吸着用冷却手段（１３）と、冷却水の流れを切り換える切り換え弁（１４ａ、１４ｂ）とを備え、
吸着器（１０）で脱離をする時には、エンジン（１）を介するよう切り換え弁（１４ａ、１４ｂ）を切り換えて、吸着器（１０）の脱離吸着部（１０ａ）に冷却水を循環させ、発生する冷媒の凝縮熱にて前記吸気通路（２）を流れる吸入空気を加熱し、
吸着器（１０）で吸着をする時には吸着用冷却手段（１３）を介するよう切り換え弁（１４ａ、１４ｂ）を切り換えて、吸着器（１０）の脱離吸着部（１０ａ）に冷却水を循環させ、発生する冷媒の蒸発熱にて吸気通路（２）を流れる吸入空気を冷却することを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明では、動力源となるエンジン（１）と、凝縮蒸発部（１０ｂ）をエンジン（１）への吸気通路（２）に配置し、エンジン（１）の排気熱で加熱することにより冷媒を脱離し、外気で冷却することにより冷媒を吸着する吸着器（１０）と、排気か外気かを切り換える切り換え手段（１６）とを備え、
吸着器（１０）で脱離をする時には、排気（Ｈ）を導入するよう切り換え手段（１６）を切り換えて、排気（Ｈ）を吸着器（１０）の脱離吸着部（１０ａ）に当てて、発生する冷媒の凝縮熱にて前記吸気通路（２）を流れる吸入空気を加熱し、
吸着器（１０）で吸着をする時には、外気（Ｇ）を導入するよう切り換え手段（１６）を切り換えて、外気（Ｇ）を吸着器（１０）の脱離吸着部（１０ａ）に当てて、発生する冷媒の蒸発熱にて吸気通路（２）を流れる吸入空気を冷却することを特徴とする。
【０００９】
これらによれば、吸着器（１０）を用いることにより、同じ装置を用いて吸入空気の加熱と冷却とを行なうことができる。また、これらいずれによっても特別な加熱熱源を設ける必要がなく、排熱側と外気冷却側とを切り換えることで加熱と冷却とを切り換えることができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明では、エンジン（１）が所定出力以下で運転する場合に吸入空気の加熱を行ない、エンジン（１）が所定出力を超えて運転する場合に吸入空気の冷却を行なうことを特徴とする。これにより、アイドル時や低出力時には吸入空気を加熱して省燃費とし、高出力時には吸入空気を冷却して出力を向上させることとなる。尚、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。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を、図面に基づき説明する。図１は本発明の第１実施形態におけるエンジンの吸気加熱冷却装置の構成を示す模式図である。図１において、１は動力源となるエンジンであり、車両用であっても良いし、定置式のエンジン駆動システム、例えば空調装置の動力源となるエンジンであっても良い。本実施形態では水冷式のエンジンとなっている。２は吸気通路、３はその吸気通路２内に配置されたスロットルバルブであり、このスロットルバルブ３の開度によりエンジンの出力制御が行われる。
【００１３】
１０は、本発明の要部となる吸着器である。熱交換器のコア部に吸着剤Ｋを付着させた吸着コア１１が密閉容器内の上部に配置されており、この部分が冷媒の脱離吸着部１０ａとなっている。この吸着コア１１内には後述のエンジン冷却水が流れる構造となっている。また、密閉容器内の下部は所定量の冷媒が封入されており、この部分が冷媒の凝縮蒸発部１０ｂとなっている。
【００１４】
本実施形態では、吸着剤Ｋとしてシリカゲル系またはゼオライト系の吸着剤を用い、冷媒には水が用いられている。そして、この吸着器１０は、吸気通路２のスロットルバルブ３の上流に凝縮蒸発部１０ｂを配置し、１２はこの凝縮蒸発部１０ｂで発生する凝縮熱・蒸発熱を、吸気通路２を流れる吸入空気に伝熱するためのフィンである。
【００１５】
１３は、図示しないエンジン冷却用のラジエータとは別に設けられた吸着用室外器（吸着用冷却手段）であり、電動ファン（送風手段）１３ａにより供給される外気と熱交換を行って内部の冷却水を冷却する。吸着用室外器１３の出入口には切り換え弁１４ａ・１４ｂが設けられており、吸着コア１１に流れる冷却水を、エンジンを介して接続される場合と吸着用室外器１３を介して接続される場合とを切り換えられるようになっている。１５は、吸着コア内に流れる冷却水を循環させる電動ウォータポンプである。
【００１６】
２０は、スロットルバルブ３の開度からエンジンの負荷状態を検知して、切り換え弁１４ａ・１４ｂにより吸着器１０の作動状態を切り換え、必要に応じて電動ファン１３ａ・電動ウォータポンプ１５を駆動制御するための制御装置（ＥＣＵ）である。
【００１７】
次に、上記構成における作動を説明する。図２は、本発明の実施形態に係るフローチャートである。制御装置２０は、ステップＳ１でスロットルバルブ３の開度を検出する。その結果、スロットルバルブ３の開度が小でエンジン１が所定出力以下で運転する場合には、ステップＳ２へ進んで吸入空気の加熱作動を行なう。
【００１８】
具体的には、切り換え弁１４ａ・１４ｂを図１に示す実線方向に切り換え、吸着コア１１とエンジン１とを接続させる。すると、エンジン１内で加熱されてエンジンから出た冷却水は、切り換え弁１４ａを通り、ウォータポンプ１５により吸着コア１１に送られる。そして、高温のエンジン冷却水が吸着コア１１を流れるため、吸着コア１１内の吸着剤Ｋが加熱されて気体冷媒を脱着する。
【００１９】
加熱された気体冷媒は、フィン１２を介して吸入空気により冷却されるため凝縮して液冷媒となる。その際、吸入空気は気体の凝縮熱により加熱されて高温となる。そして、吸着コア１１を出た冷却水は、切り換え弁１４ｂを通って再びエンジンに戻る。よって、エンジン出力が小さい時は吸入空気が加熱され、噴射された燃料の気化促進等の効果により省燃費なエンジン作動が行なわれる。
【００２０】
次に、ステップＳ１でのスロットルバルブ３の開度が大で、エンジン１が所定出力以上で運転する場合には、ステップＳ３へ進んで吸入空気の冷却作動を行なう。具体的には、切り換え弁１４ａ・１４ｂを図１に示す破線方向に切り換え、吸着コア１１と吸着用室外器１３とを接続させる。
【００２１】
吸着用室外器１３で外気により冷却された冷却水は、切り換え弁１４ａを通り、ウォータポンプ１５により吸着コア１１に送られる。そして、低温のエンジン冷却水が吸着コア１１を流れるため、吸着コア１１内の吸着剤Ｋが冷却されて気体冷媒を吸着する。これにより吸着器１０内の液体冷媒が蒸発して蒸発熱により冷却される。
【００２２】
液冷媒はフィン１２を介して吸入空気を冷却するため、吸入空気は低温となる。そして、吸着コア１１を出た冷却水は、切り換え弁１４ｂを通って再び吸着用室外器１３に戻る。よって、エンジン出力が大きい時は吸入空気が冷却され、吸入空気量を増大させることができるため高出力なエンジン作動が行なわれる。尚、ステップＳ１でスロットルバルブ３の開度が中程度の場合には、加熱作動も冷却作動も行なわずに繰り返すようになっている。
【００２３】
次に、本実施形態での特徴を説明する。動力源となるエンジン１と、エンジン１の排熱で加熱することにより冷媒を脱離し、外気で冷却することにより冷媒を吸着する吸着器１０とを備え、吸着器１０の凝縮蒸発部１０ｂをエンジン１への吸気通路２に配置し、吸着器１０で脱離をする時に発生する冷媒の凝縮熱にて吸気通路２を流れる吸入空気を加熱し、吸着器１０で吸着をする時に発生する冷媒の蒸発熱にて吸気通路２を流れる吸入空気を冷却している。
【００２４】
これによれば、吸着器１０を用いることにより、同じ装置を用いて吸入空気の加熱と冷却とを行なうことができる。
【００２５】
また、排熱としてエンジン１の冷却水熱を用い、脱離時にはエンジン１を介し、吸着時には吸着用室外器１３を介するよう切り換えて、吸着器１０の脱離吸着部１０ａに冷却水を循環させている。これにより、特別な加熱熱源を設ける必要がなく、排熱側と外気冷却側とを切り換えることで加熱と冷却とを切り換えることができる。
【００２６】
また、エンジン１が所定出力以下で運転する場合に吸入空気の加熱を行ない、エンジン１が所定出力を超えて運転する場合に吸入空気の冷却を行なっている。これにより、アイドル時や低出力時には吸入空気を加熱して省燃費とし、高出力時には吸入空気を冷却して出力を向上させることとなる。
【００２７】
（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態におけるエンジンの吸気加熱冷却装置の構成を示す模式図である。上述した第１実施形態とは、排熱として冷却水熱を用いずに排気熱を用いている点が異なる。そして、排気Ｈもしくは外気Ｇによって直接吸着剤Ｋを加熱冷却する構造となっている。吸着器１０は、吸着剤Ｋを充填した脱離吸着部１０ａが密閉容器の上部に配置されており、密閉容器の下部は所定量の冷媒が封入された凝縮蒸発部１０ｂとなっている。
【００２８】
そして、この吸着器１０は、エンジン１からの排気Ｈもしくは外気Ｇが流通する加熱冷却通路４内に脱離吸着部１０ａを配置し、吸気通路２内のスロットルバルブ３の上流に凝縮蒸発部１０ｂを配置している。１２ａは排気Ｈの排熱もしくは外気Ｇの冷熱を脱離吸着部１０ａ内の吸着剤Ｋに伝熱するためのフィンであり、１２ｂは凝縮蒸発部１０ｂで発生する凝縮熱・蒸発熱を、吸気通路２を流れる吸入空気に伝熱するためのフィンである。
【００２９】
１６は、加熱冷却通路４に排気Ｈを流すのか外気Ｇを流すのかを切り換える切り換え手段としてのドアであり、１３ａはその排気Ｈもしくは外気Ｇを流通させるための電動ファンである。２０は、スロットルバルブ３の開度からエンジンの負荷状態を検知して、切り換えドア１６により吸着器１０の作動状態を切り換える制御装置（ＥＣＵ）である。
【００３０】
次に、上記構成における作動を説明する。第１実施形態と同様に、図２のフローチャートに沿って作動するため、ステップＳ２・Ｓ３の加熱作動・冷却作動について具体的に説明する。まず、加熱作動を行なう場合は、切り換えドア１６が図１に示す実線位置に切り換えられ、加熱冷却通路４には排気Ｈが導入される。
【００３１】
すると、脱離吸着部１０ａ内の吸着剤Ｋが加熱されて気体冷媒を脱着し、加熱された気体冷媒は、凝縮蒸発部１０ｂのフィン１２ｂを介して吸入空気により冷却されるため凝縮して液冷媒となる。その際、吸入空気は気体の凝縮熱により加熱されて高温となる。よって、エンジン出力が小さい時は吸入空気が加熱され、噴射された燃料の気化促進等の効果により省燃費なエンジン作動が行なわれる。
【００３２】
次に、冷却作動を行なう場合は、切り換えドア１６が図１に示す破線位置に切り換えられ、加熱冷却通路４には外気Ｇが導入される。すると、脱離吸着部１０ａ内の吸着剤Ｋが冷却されて気体冷媒を吸着する。これにより凝縮蒸発部１０ｂ内の液体冷媒が蒸発して蒸発熱により冷却される。液冷媒はフィン１２ｂを介して吸入空気を冷却するため、吸入空気は低温となる。よって、エンジン出力が大きい時は吸入空気が冷却され、吸入空気量を増大させることができるため高出力なエンジン作動が行なわれる。
【００３３】
次に、本実施形態での特徴を説明する。排熱としてエンジン１の排気熱を用い、脱離時には排気Ｈを導入し、吸着時には外気Ｇを導入するよう切り換えて、吸着器１０の脱離吸着部１０ａに当てている。これにより、特別な加熱熱源を設ける必要がなく、排熱側と外気冷却側とを切り換えることで加熱と冷却とを切り換えることができる。
【００３４】
（第３実施形態）
図４は、本発明の第３実施形態におけるエンジンの吸気加熱冷却装置の構成を示す模式図である。上述した実施形態とは、吸入空気の加熱冷却手段としてペルチェ素子１７を用いた点が異なる。吸気通路２のスロットルバルブ３の上流にペルチェ素子１７ａを配置し、吸気通路２内に一方のフィン１７ｂを突出させ、吸気通路２の外方に他方のフィン１７ｃを突出させている。
【００３５】
このペルチェ素子１７は周知の如く、異なる金属を重ねることによって構成され、この異種金属間に電圧を印加するとその金属接触面の一端側で吸熱作用を果たし、他端側で放熱作用を果たす熱電素子であり、印加電圧の極性を換えることにより、吸熱側と放熱側とを逆転することが可能なものである。また、２０は、スロットルバルブ３の開度からエンジンの負荷状態を検知して、ペルチェ素子１７印加電圧の極性を切り換える制御装置（ＥＣＵ）である。
【００３６】
次に、上記構成における作動を説明する。まず、加熱作動を行なう場合は、フィン１７ｂ側が放熱しフィン１７ｃ側が吸熱するように電圧が印加される。これにより、エンジン出力が小さい時は吸入空気が加熱され、噴射された燃料の気化促進等の効果により省燃費なエンジン作動が行なわれる。次に、冷却作動を行なう場合は、フィン１７ｂ側が吸熱しフィン１７ｃ側が放熱するように電圧が印加される。これにより、エンジン出力が大きい時は吸入空気が冷却され、吸入空気量を増大させることができるため高出力なエンジン作動が行なわれる。
【００３７】
次に、本実施形態での特徴を説明する。動力源となるエンジン１と、エンジン１の吸気通路２中にペルチェ素子１７を配置し、吸気通路２を流れる吸入空気を加熱もしくは冷却している。これによれば、ペルチェ素子１７を用いることにより、同じ装置を用いて吸入空気の加熱と冷却とを行なうことができる。また、加熱・冷却用のエネルギーは必要とするが構成が至って簡素であり、汎用的に後から取り付けることも可能である。
【００３８】
（その他の実施形態）
上述の実施形態で、図２のフローチャートでは、スロットルバルブ３の開度が中程度の場合には加熱作動も冷却作動も行なわずに繰り返すようになっているが、本発明はこれに限定されるものではなく、ある閾値を決め、その閾値よりもスロットルバルブ３の開度が小さいか大きいかで、加熱作動もしくは冷却作動を行なうようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態におけるエンジンの吸気加熱冷却装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係るフローチャートである。
【図３】本発明の第２実施形態におけるエンジンの吸気加熱冷却装置の構成を示す模式図である。
【図４】本発明の第３実施形態におけるエンジンの吸気加熱冷却装置の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１ エンジン
２ 吸気通路
１０ 吸着器
１０ａ 脱離吸着部
１０ｂ 凝縮蒸発部
１３ 吸着用室外器（吸着用冷却手段）
１７ ペルチェ素子
Ｈ 排気
Ｇ 外気

Claims (3)

1. 動力源となるエンジン（１）と、
   凝縮蒸発部（１０ｂ）を前記エンジン（１）への吸気通路（２）に配置し、前記エンジン（１）の冷却水熱で加熱することにより冷媒を脱離し、外気で冷却することにより冷媒を吸着する吸着器（１０）と、
   冷却水を冷却する吸着用冷却手段（１３）と、
   前記冷却水の流れを切り換える切り換え弁（１４ａ、１４ｂ）とを備え、
   前記吸着器（１０）で前記脱離をする時には、前記エンジン（１）を介するよう前記切り換え弁（１４ａ、１４ｂ）を切り換えて、前記吸着器（１０）の脱離吸着部（１０ａ）に冷却水を循環させ、発生する冷媒の凝縮熱にて前記吸気通路（２）を流れる吸入空気を加熱し、
   前記吸着器（１０）で前記吸着をする時には前記吸着用冷却手段（１３）を介するよう前記切り換え弁（１４ａ、１４ｂ）を切り換えて、前記吸着器（１０）の前記脱離吸着部（１０ａ）に冷却水を循環させ、発生する冷媒の蒸発熱にて前記吸気通路（２）を流れる吸入空気を冷却することを特徴とするエンジンの吸気加熱冷却装置。
2. 動力源となるエンジン（１）と、
   凝縮蒸発部（１０ｂ）を前記エンジン（１）への吸気通路（２）に配置し、前記エンジン（１）の排気熱で加熱することにより冷媒を脱離し、外気で冷却することにより冷媒を吸着する吸着器（１０）と、
   排気か外気かを切り換える切り換え手段（１６）とを備え、
   前記吸着器（１０）で前記脱離をする時には、排気（Ｈ）を導入するよう前記切り換え手段（１６）を切り換えて、前記排気（Ｈ）を前記吸着器（１０）の脱離吸着部（１０ａ）に当てて、発生する冷媒の凝縮熱にて前記吸気通路（２）を流れる吸入空気を加熱し、
   前記吸着器（１０）で前記吸着をする時には、外気（Ｇ）を導入するよう前記切り換え手段（１６）を切り換えて、前記外気（Ｇ）を前記吸着器（１０）の脱離吸着部（１０ａ）に当てて、発生する冷媒の蒸発熱にて前記吸気通路（２）を流れる吸入空気を冷却することを特徴とするエンジンの吸気加熱冷却装置。
3. 前記エンジン（１）が所定出力以下で運転する場合に前記吸入空気の加熱を行ない、前記エンジン（１）が所定出力を超えて運転する場合に前記吸入空気の冷却を行なうことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエンジンの吸気加熱冷却装置。

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