JP4707145B2 - 吸気加熱装置 - Google Patents

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Description

本発明は、吸気加熱装置に関し、特に車両に搭載されたエンジンへ供給される吸気を加熱する吸気加熱装置に関する。
エンジンへ吸入される空気すなわち吸気は、温度が上昇するほど密度が下がりエンジンの各シリンダへの充填効率が低下する。そのため、同一の空気量をエンジンへ供給する場合、より高い圧力でシリンダに供給することになる。したがって、スロットル部における絞り損失、いわゆるポンピングロスを低減することが可能になり、燃費が向上する。
また、温度の高い空気は燃料の気化を促進するため、エンジンに供給した燃料は効率的に燃焼し、さらなる燃費の向上、および未燃焼の燃料成分(HC)の排出の低減が達成される。特にエンジンを低温下で始動する場合、燃料の気化を促進することにより、燃費が向上し、未燃焼のHCの排出低減に加え、始動時間の短縮および燃料成分の潤滑油への混入が低減される。
そこで、特許文献1に開示されている発明では、吸気通路を二つに分け、エンジンの負荷によって吸気を導入する吸気通路を切り換えている。特許文献1に開示されている発明では、エンジンの負荷が小さなとき、エンジンが搭載された車両のエンジンルーム内から吸気を導入する。これにより、温度の高いエンジンルームの空気がエンジンに導入され、燃料の消費量の低減および排気中の未燃焼のHCの低減が図られる。一方、エンジンの負荷が大きなとき、吸気通路を切り換えて、車両の前方から吸気を導入する。これにより、温度の低い外気がエンジンに導入され、吸気の充填効率が向上し、エンジンの出力の増大が図られる。特許文献1以外にも、例えば特許文献2に開示されている発明のように、ヒータによって吸気を加熱することが考えられている。
しかしながら、特許文献1に開示されている発明の場合、例えば始動時や始動直後のように、エンジンルームの温度が低いとき、吸気通路を切り換えても、エンジンには低温の空気が導入される。そのため、エンジンルームの温度が低いとき、燃料の消費量の低減、排気中の未燃焼のHCの低減、および始動性の向上を図ることは困難である。
また、特許文献2に開示されている発明の場合、ヒータには電気ヒータあるいは燃焼ヒータが用いられる。電気ヒータは車両に搭載されているバッテリからの電力を消費し、燃焼ヒータはエンジンで使用される燃料を消費する。そのため、エネルギーの消費効率が低いという問題がある。さらに、特許文献2に開示されている発明の場合、吸気の加熱、特に低温時の吸気の加熱のためだけにヒータを設ける必要があり、部品点数の増加にともなう重量増加を招くという問題がある。
特開2001−114133号公報 実開昭62−76283号公報
そこで、本発明の目的は、部品点数の増加にともなう重量増加を招くことなく、エネルギー効率が高く、低温の始動時でも吸気が加熱される吸気加熱装置を提供することにある。
請求項1記載の発明では、エアコンディショナー用のヒートポンプは、第一凝縮器と第二凝縮器とからなる放熱手段、および、電動のコンプレッサを有する。また、第二凝縮器は、第一凝縮器と独立して吸気管部に内蔵され、ヒートポンプの冷媒が流れるヒートポンプ通路は、通路切換弁において第一凝縮器および第二凝縮器に分岐している。車両のほとんどはエアコンディショナーを搭載している。そのため、車両には、ヒートポンプが搭載されている。ヒートポンプは、近年効率の向上を目的として、エンジンによる駆動から、電力による駆動への切り換えが進んでいる。そのため、電動のヒートポンプは、バッテリからの電力の供給により、エンジンの運転とは独立して駆動される。このようなヒートポンプは、熱を放出する放熱手段を有している。そこで、請求項1記載の発明では、エンジンの始動に先立って電動のヒートポンプを駆動し、ヒートポンプの放熱手段から放出される排熱を利用して吸気を加熱する。これにより、外気の温度が低い低温時のエンジン始動時であっても、吸気通路を流れる吸気はヒートポンプの放熱手段からの排熱によって加熱される。電動のコンプレッサを有するヒートポンプは、例えば電気ヒータなどと比較して消費電力あたりの発熱量が大きく、熱効率が高い。また、ヒートポンプの排熱を利用することにより、新たな熱源を設ける必要がない。したがって、部品点数の増加およびこれにともなう重量増加を招くことなく、エネルギー効率が向上し、低温の始動時でも吸気を加熱することができる。また、吸気管部が形成する吸気通路を流れる吸気は、内蔵されている第二凝縮器によって直接加熱される。したがって、低温の始動時でも吸気を加熱することができる。また、例えばエンジンの負荷によってヒートポンプの放熱手段への熱の移動を制御することにより、吸気の加熱は断続してもよい。
求項記載の発明では、ヒートポンプは第一冷却部および第二冷却部を有している。ヒートポンプは、放熱手段だけでなく、吸熱して空気を冷却する冷却部を有している。車両の車室内を冷却するとき、第一冷却部で冷却された空気が送風部から車室内へ供給される。一方、例えば低温時のように外気が低いとき、第一冷却部で冷却された空気を送風部から車室内へ供給すると、車室内へ冷気が流入する。そこで、請求項記載の発明では、第一冷却部とは別に第二冷却部を設けている。低温時など車室内へ冷気の流入が好ましくないとき、第二冷却部で空気を冷却し、冷却した空気は車両の外部へ排出される。したがって、車室内を快適な環境に維持することができる。
請求項記載の発明では、冷却部で冷却した空気の流れを車両の内部または外部へ切り換える切換弁を有している。例えば低温時のように外気が低いとき、冷却部で冷却された空気を送風部から車室内へ供給すると、車室内へ冷気が流入する。そこで、請求項記載の発明では、切換弁を設け、低温時など車室内へ冷気の流入が好ましくないとき、冷却部で冷却した空気は車両の外部へ排出する。したがって、車室内を快適な環境に維持することができる。
以下、本発明の吸気加熱装置を適用したエンジンシステムの複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態によるエンジンシステムを図1に示す。エンジンシステム10は、車両に搭載され、エンジン本体11、吸気装置20およびエアコンディショナー装置用のヒートポンプ40を備えている。吸気装置20およびヒートポンプ40は、特許請求の範囲の吸気加熱装置を構成している。エンジン本体11は、例えばガソリン、軽油やエタノールまたはこれらの混合物などを燃料とするエンジンである。エンジン本体11は、ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジンなどいずれであってもよい。エンジン本体11は、単数または複数のシリンダ12を有している。エンジンシステム10は、冷却水が流れる冷却水通路13を備えている。冷却水通路13には、ラジエータ14およびサーモスタット15が設けられている。ラジエータ14には、エンジン本体11の発熱によって加熱された冷却水が供給される。加熱された冷却水は、ラジエータ14で放熱する。サーモスタット15は、エンジン本体11とラジエータ14との間を循環する冷却水の流量を調整する。これにより、冷却水の温度は所定値に維持される。
ヒートポンプ40は、コンプレッサ41、凝縮器42、蒸発器43、受液器44および膨張弁45を有している。ヒートポンプ40は、ヒートポンプ回路46を流れる冷媒によって、凝縮器42と蒸発器43との間にヒートポンプサイクルを形成する。すなわち、コンプレッサ41によって圧縮された冷媒は、凝縮器42によって放熱し液化される。このとき、冷媒は、凝縮熱を発生し、凝縮器42において周囲へ熱を放出する。放熱部50は、ヒートポンプ40の凝縮器42および冷却水を放熱するラジエータ14を有している。放熱部50には、放熱を促進するためにファン51を設けてもよい。
液化した冷媒は、受液器44に蓄えられる。受液器44に蓄えられている冷媒は、所定の流量がヒートポンプ回路46を流れる。冷媒は、膨張弁45を経由して蒸発器43で気化する。蒸発器43は、車両のエアコンユニット60に設けられている。エアコンユニット60は、蒸発器43および送風部61を有している。エアコンユニット60は、端部が車室内へ接続している。冷媒は、蒸発器43で気化するとき、気化熱により周囲の熱を奪う。これにより、蒸発器43で冷媒を気化させつつ送風部61を駆動することにより、気化熱で冷却された空気は車室内へ供給される。したがって、蒸発器43は、特許請求の範囲の冷却部を構成している。以上のヒートポンプサイクルによって、ヒートポンプ40は、車両のエアコンディショナーとして機能する。
ヒートポンプ40のコンプレッサ41は、バッテリ16の電力によって駆動される。すなわち、第1実施形態のヒートポンプ40は、電動のヒートポンプである。そのため、コンプレッサ41は、制御回路部17を経由してバッテリ16に接続している。バッテリ16は、車両に搭載され、車両の各部へ電力を供給する。制御回路部17は、ヒートポンプ40専用または他のECUとともに構成されている。制御回路部17は、コンプレッサ41に供給する電力を制御することにより、ヒートポンプ40の能力を制御する。
吸気装置20は、吸気通路を形成する吸気管部21を有している。吸気管部21は、吸気加熱装置を構成している。吸気管部21が形成する吸気通路は、第一通路31および第一通路31を有している。第一通路31は、開放端部33とエンジン本体11とを接続している。第一通路31は、エンジン本体11とは反対側に大気に開放している開放端部33を有している。開放端部33には、図示しないエアクリーナを設けてもよい。第二通路32は、放熱部50とエンジン本体11とを接続している。
第一通路31と第二通路32とは、図1に示すように途中で分岐する構成としてもよく、それぞれが独立してエンジン本体11へ接続する構成としてもよい。本実施形態の場合、吸気装置20は、第一通路31および第二通路32の開度を制御する制御弁22を有している。制御弁22は、図示しない制御装置によって開度が調整される。
次に、上記の構成による吸気加熱装置の作動について説明する。
(冷間始動時)
車両の外気の温度が低い冷間においてエンジン本体11が始動されるとき、エンジン本体11の始動に先立ってヒートポンプ40が始動する。例えば車両のドアロックが解除されたとき、車両のドアが開かれたとき、あるいは車両のキーが差込口に挿入されたときなど、エンジン本体11が始動される前にヒートポンプ40は始動する。ヒートポンプ40のコンプレッサ41は、バッテリ16から供給される電力によって駆動される。そのため、ヒートポンプ40は、エンジン本体11の運転とは独立して、バッテリ16から制御回路部17を経由して電力が供給されると始動する。
ヒートポンプ40が作動すると、コンプレッサ41で冷媒が圧縮される。圧縮された冷媒は、凝縮器42で凝縮しつつ、熱を発生する。そのため、放熱部50の温度は上昇する。このとき、制御弁22は、第二通路32を開放し、第一通路31を閉鎖している。そして、エンジン本体11のクランキングを開始すると、放熱部50で加熱された空気が第二通路32を経由してエンジン本体11へ供給される。ヒートポンプ40はエンジン本体11の始動に先立って作動しているため、放熱部50から吸入される空気の温度は外気に比較して上昇している。その結果、エンジン本体11が始動するとき、エンジン本体11には加熱された空気が供給される。したがって、冷間の始動時であっても、エンジン本体11に吸入される空気に噴射される燃料の気化が促進され、燃料の燃焼は促進される。
(暖機後の低負荷時)
エンジン本体11が始動し暖機運転が完了した後、吸気加熱装置は、エンジン本体11の負荷に応じて吸気管部21における吸気の流れを制御する。エンジン本体11の負荷は、例えば図示しないアクセル開度およびエンジンの回転数などから検出される。エンジン本体11が低負荷状態で運転されるとき、制御弁22は、第二通路32を開放し、第一通路31を閉鎖している。そのため、低負荷状態のとき、エンジン本体11には第二通路32を経由して空気が吸入される。暖機運転が完了した後、放熱部50のラジエータ14および凝縮器42は十分に発熱している。そこで、第二通路32を経由して空気を吸入することにより、エンジン本体11には温度が高く密度の低い空気が供給される。その結果、吸入される空気の量が同一であっても、絞り損失が低減し、燃費の向上を図ることができる。
(暖機後の高負荷時)
一方、エンジン本体11が高負荷状態で運転されるとき、制御弁22は、第一通路31を開放し、第二通路32を閉鎖する。そのため、エンジン本体11には、第一通路31を経由して空気が供給される。第一通路31は、エンジン本体11とは反対側の端部が開放端部33として大気に開放している。これにより、高負荷状態のとき、エンジン本体11には第一通路31を経由して温度が低く密度の高い空気が供給される。その結果、エンジン本体11のシリンダ12への空気の充填効率は向上する。したがって、エンジン本体11の出力を向上させることができる。
以上説明したように、第1実施形態では、吸気装置20の吸気管部21に第一通路31および第二通路32を設けている。そして、第二通路32の端部には、ラジエータ14および凝縮器42から構成される放熱部50を設けている。この放熱部50の凝縮器42は、エンジン本体11と独立して作動するヒートポンプ40によってエンジン本体11の始動前に発熱する。そのため、エンジン本体11の始動時に外気の温度が低い場合でも、エンジン本体11へ吸入される空気は加熱される。したがって、冷間始動時においてエンジン本体11での燃料の燃焼性能を向上することができ、エンジン本体11から排出される未燃焼のHCを低減することができる。
第1実施形態では、始動時および低負荷時にエンジン本体11に吸入される空気は、放熱部50によって加熱される。そのため、エンジン本体11に吸入される空気の密度は小さく、エンジン本体11のいわゆるポンピングロスが低減される。したがって、燃料の消費量を低減することができ、エンジン本体11から排出されるCO2およびNOxを低減することができる。一方、高負荷時にエンジン本体11に吸入される空気は、第一通路31の開放端部33から吸入される。そのため、エンジン本体11に吸入される空気の密度は大きく、エンジン本体11への空気の充填効率は向上する。したがって、エンジン本体11の出力を向上することができる。
第1実施形態では、第二通路32を経由してエンジン本体11へ吸入される空気は、ヒートポンプ40の凝縮器42から発生する排熱によって加熱される。ヒートポンプ40は、例えば電熱線やバーナなどと比較して、消費エネルギーに対する発生エネルギーが大きい、すなわちエネルギー効率が高い。また、車両用のエアコンディショナーは、通常の車両に広く搭載されている。そのため、ヒートポンプ40を利用することにより、新たに吸気を加熱するために部材を追加することなく、既存の部材が利用可能である。したがって、部品点数の増大および構造の複雑化を招くことなく、高いエネルギー効率でエンジン本体11における燃料の燃焼性能を高めることができる。
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態による吸気加熱装置を図2に示す。
第2実施形態では、ヒートポンプ40は第一蒸発器71および第二蒸発器72を有している。第一蒸発器71は、第1実施形態と同様にエアコンディショナーのエアコンユニット60に設けられている。これにより、第一蒸発器71は、第一冷却部を構成している。一方、第二蒸発器72は、第一蒸発器71とは独立して設けられている。ヒートポンプ40の冷媒が流れるヒートポンプ回路46は、通路切換弁73において第一蒸発器71および第二蒸発器72に分岐している。
エンジン本体11の始動前にヒートポンプ40を始動すると、放熱部50の凝縮器42では発熱するのに対し、蒸発器では吸熱する。そのため、ヒートポンプ40の始動によってエアコンディショナーが作動すると、車両の車室内へ冷気が供給される。しかし、冷間時に車室内へ冷気が供給されると、車室内の快適性を損なうおそれがある。そこで、第2実施形態では、冷間始動時においてヒートポンプ回路46を流れる冷媒は、第二蒸発器72へ供給される。第二蒸発器72は、車室の外部に露出している。すなわち、第二蒸発器72は、冷却された空気を車両の外部へ排出する排出部に設けられている。そのため、第二蒸発器72で冷却された空気は、車室内へ供給されることなく車両の外部へ排出される。
第2実施形態では、ヒートポンプ40の作動によって発生した冷気の車室内への流入を低減している。したがって、車室内の快適性を損なうことなく、エンジン本体11における燃料の燃焼性能を高めることができる。
(第3実施形態)
本発明の第3実施形態による吸気加熱装置を図3に示す。
第3実施形態では、エアコンユニット60は切換弁62を有している。切換弁62は、蒸発器43で冷却された空気の流れを車室内または車両の外部のいずれかへ切り換える。第2実施形態で説明したように、冷却部を構成する蒸発器43では、ヒートポンプ40の作動によって空気が冷却される。そのため、蒸発器43で冷却された空気が車室内へ供給されると、車室内の快適性を損なうおそれがある。そこで、第3実施形態では、冷間始動時においてヒートポンプ回路46を流れる冷媒は、蒸発器43へ供給されるものの、切換弁62がエアコンユニット60と車室との間を遮断している。これにより、蒸発器43で冷却された空気は、車室内へ供給されることなく、エアコンユニット60の外部へ排出される。
第3実施形態では、ヒートポンプ40の作動によって発生した冷気の車室内への流入を低減している。したがって、車室内の快適性を損なうことなく、エンジン本体11における燃料の燃焼性能を高めることができる。また、第3実施形態では、複数の蒸発器を設ける必要がない。したがって、部品点数を低減することができる。
(第4実施形態)
本発明の第4実施形態による吸気加熱装置を図4に示す。
第4実施形態では、放熱部50にはバイパス弁52が設けられている。バイパス弁52は、放熱部50と第二通路32との間を開閉する。バイパス弁52が閉じているとき、放熱部50で加熱された空気はすべて第二通路32に流入する。一方、バイパス弁52が開いているとき、放熱部50で加熱された空気の一部はバイパス弁52を通して第二通路32の外部へ排出される。
通常、バイパス弁52は、閉じており、放熱部50で加熱された空気はすべて第二通路32へ流入する。これにより、エンジン本体11へ吸入される空気の温度を可能な限り上昇させ、エンジン本体11における燃料の燃焼性能の向上が図られる。一方、放熱部50における空気の加熱が過剰になると、例えばエンジン本体11の出力低下など、かえって性能の低下を招くことになる。また、第一通路31を経由してエンジン本体11に空気を吸入するとき、第二通路32はエンジン本体11側が閉鎖される。そのため、放熱部50における放熱が不十分になるおそれがある。
そこで、第4実施形態では、バイパス弁52を設けている。これにより、第二通路32を経由してエンジン本体11へ吸入される空気の温度が高すぎるとき、および第一通路31を経由してエンジン本体11に空気を吸入するとき、バイパス弁52が開く。したがって、過剰な熱はバイパス弁52を経由して排出され、エンジン本体11には適温の空気を供給することができるとともに、放熱部50の放熱を維持することができる。
(第5実施形態)
本発明の第5実施形態による吸気加熱装置を図5に示す。
第5実施形態では、ヒートポンプ40は第一凝縮器81および第二凝縮器82を有している。第一凝縮器81は、第1実施形態と同様に放熱部50に設けられている。一方、第二凝縮器82は、第一凝縮器81とは独立して設けられている。また、第5実施形態の場合、吸気管部21は一つの吸気通路34を形成している。
ヒートポンプ40の冷媒が流れるヒートポンプ回路46は、通路切換弁83において第一凝縮器81および第二凝縮器82に分岐している。第5実施形態の場合、第二凝縮器82は、吸気管部21のエンジン本体11側に設けられており、吸気管部21に内蔵されている。これにより、エンジン本体11へ吸入される空気は、吸気管部21に内蔵されている第二凝縮器82によって直接加熱される。
通路切換弁83は、コンプレッサ41で圧縮された冷媒の流れを第一凝縮器81または第二凝縮器82に切り換える。これにより、エンジン本体11へ吸入される空気を加熱するとき、通路切換弁83は冷媒の流れを第二凝縮器82へ切り換える。そのため、大気に開放された開放端部33から吸気通路34へ流入した空気は、吸気管部21に内蔵された第二凝縮器82における冷媒の放熱によって加熱される。通路切換弁83によって冷媒の流量を調整することにより、第二凝縮器82における放熱量は変化する。その結果、エンジン本体11へ吸入される空気の加熱量も変化する。
第5実施形態では、第二凝縮器82を設けることにより、エンジン本体11へ吸入する空気を直接加熱することができる。
以上説明した本発明は、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種々の実施形態に適用可能である。
本発明の第1実施形態による吸気加熱装置を適用したエンジンシステムを示す概略図。 本発明の第2実施形態による吸気加熱装置を適用したエンジンシステムを示す概略図。 本発明の第3実施形態による吸気加熱装置を適用したエンジンシステムを示す概略図。 本発明の第4実施形態による吸気加熱装置を適用したエンジンシステムを示す概略図。 本発明の第5実施形態による吸気加熱装置を適用したエンジンシステムを示す概略図。
符号の説明
11:エンジン本体(エンジン)、20:吸気装置(吸気加熱装置)、21:吸気管部、22:制御弁、31:第一通路(吸気通路)、32:第二通路(吸気通路)、33:開放端部、34:吸気通路、40:ヒートポンプ(吸気加熱装置)、41:コンプレッサ、42:凝縮器(放熱部)、50:放熱部、51ファン、52:バイパス弁、61:送風部、62:切換弁、71:第一蒸発器(第一冷却部)、72:第二蒸発器(第二冷却部)

Claims (3)

  1. 車両に搭載されているエンジンへ供給される吸気が流れる吸気通路を形成する吸気管部と、
    前記エンジンと独立して駆動され、第一凝縮器と第二凝縮器とからなる放熱手段、および、電動のコンプレッサを有するエアコンディショナー用のヒートポンプと、
    を備え
    前記第二凝縮器は、前記第一凝縮器と独立して前記吸気管部に内蔵され、
    前記ヒートポンプの冷媒が流れるヒートポンプ通路は、通路切換弁において前記第一凝縮器および前記第二凝縮器に分岐している吸気加熱装置。
  2. 前記ヒートポンプは、前記車両の車室内へ冷却した空気を供給する送風部に設けられている第一冷却部と、前記第一冷却部とは別に前記車両の外部へ冷却した空気を排出する排出部に設けられている第二冷却部と、を有する請求項記載の吸気加熱装置。
  3. 前記ヒートポンプは、前記車両の車室内へ冷却した空気を供給する送風部に設けられている冷却部と、前記冷却部で冷却された空気の流路を前記車両の内部または外部へ切り換える切換弁と、を有する請求項記載の吸気加熱装置。
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