JPH09245939A - 内燃機関用エアヒータ及びその制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 加熱効率がよく、しかも過昇温を防止できる
とともに、制御装置を簡易化できる内燃機関用エアヒー
タを提供すること。 【解決手段】 内燃機関用エアヒータは、ＰＴＣ素子部
１の両側に、ヒータエレメント部３を積層配置したもの
である。ＰＴＣ素子部１は、正の温度抵抗係数を有する
セラミック発熱体のＰＴＣ素子５と、ＰＴＣ素子５の両
側に配置されたＰＴＣ保持電極７と、各ＰＴＣ保持電極
７の外側に配置された放熱フィン９とから構成されてい
る。一方、ヒータエレメント部３は、ヒータエレメント
１１（リボンヒータ）と、各ヒータエレメント１１の両
側に配置されたインシュレータ１３と、インシュレータ
１３の外側に配置されたブラケット１５とから構成され
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば自動車用の
ディーゼルエンジン等の内燃機関の吸気加熱に用いられ
る内燃機関用エアヒータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ディーゼルエンジンなどの自
己着火式の内燃機関においては、吸入空気の温度が低い
場合、シリンダー内で圧縮した空気の状態が着火状態に
達しないことがあり、その時には燃焼が起きにくいとい
う現象がある。そこで、この種の内燃機関には、着火及
び燃焼を補助するために、吸入空気温度を電気ヒータな
どを用いて上昇させる燃焼補助装置（吸気加熱用ヒー
タ）が備えられている。

【０００３】上述した電気ヒータには、例えば、発熱
体として帯状の金属抵抗体であるヒータエレメント（リ
ボンヒータ）を用いたタイプ（特開昭６３−５８７８３
号公報参照）と、発熱体としてＰＴＣヒータを用いた
タイプ（特開昭６２−１０７２６１号公報参照）が知ら
れている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述したリボンヒー
タの様なヒータエレメントを用いたタイプは、吸気にお
ける圧力損失が少なく、また、放熱面の温度を高くでき
るので、吸気を急速に高温まで昇温できるという利点が
あるが、放射熱や、インシュレータを介した熱伝達によ
って温度が周囲に放散するので、加熱効率が悪いという
問題がある。また、過昇温の可能性が有り、しかも通電
電流も大きいため、安全性及び耐久性の観点から、リレ
ーなどで通電制御する必要がある。

【０００５】一方、ＰＴＣヒータは、放射面の温度は
一定以上上げられないので、吸気をその温度以上には加
熱できない点や加熱スピードの点が不利であるが、過昇
温の可能性が無く、制御装置が不要であり、加熱効率が
良いという利点がある。つまり、上記の２つの従来技術
はそれぞれ長所と短所が有り、特にヒータエレメント
を用いたものは、ヒータエレメントが過昇温しないよう
にリレー及びコントローラで通電制御するために、全体
のシステムが高価なものとなるという問題があった。

【０００６】本発明は、この様な不具合に鑑みなされた
もので、両技術の長所を取入れ、加熱効率がよく、しか
も過昇温を防止できるとともに、制御装置を簡易化でき
る内燃機関用エアヒータ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】前記目的を達成するため
の請求項１の発明は、ヒータエレメントに直列にＰＴＣ
素子を接続し、該ヒータエレメントからの熱伝達によっ
てＰＴＣ素子が加熱される構成としたことを特徴とする
内燃機関用エアヒータを要旨とする。

【０００８】請求項２の発明は、順次平行に曲げられた
帯状のヒータエレメントの曲げ部両側をインシュレータ
で保持したヒータエレメント部と、ＰＴＣ素子を放熱フ
ィンで挟んだＰＴＣ素子部と、を備えるとともに、前記
ＰＴＣ素子部の両側に前記ヒータエレメント部を配置し
たことを特徴とする前記請求項１記載の内燃機関用エア
ヒータを要旨とする。

【０００９】請求項３の発明は、前記請求項１又は２記
載の内燃機関用エアヒータへの通電を制御する内燃機関
用エアヒータの制御装置であって、内燃機関を予熱する
プリヒート後にクランキングを行なう際には、内燃機関
用エアヒータへの通電を所定期間禁止することを特徴と
する内燃機関用エアヒータの制御装置を要旨とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】請求項１の発明では、ヒータエレ
メントに直列にＰＴＣ素子を接続しているので、ＰＴＣ
素子の自己発熱だけでなく、ヒータエレメントからの熱
伝達によってＰＴＣ素子が加熱される。このＰＴＣ素子
とは、正の温度抵抗係数を有する（即ち温度が高くなる
ほど抵抗も大きくなる）セラミック発熱体である。従っ
て、エアヒータに通電が開始されると、ヒータエレメン
トの温度が急速に上昇するが、ヒータエレメントからＰ
ＴＣ素子への熱伝導及びＰＴＣ素子自身の発熱によっ
て、ＰＴＣ素子の温度も上昇するので、ＰＴＣ素子の抵
抗値が大きくなり、それによって、ヒータエレメントに
流れる電流が制限されるので、ヒータエレメントの過昇
温が抑えられる。

【００１１】つまり、本発明は、従来のＰＴＣ素子のみ
を発熱体として用いた構成とは異なり、ＰＴＣ素子を主
なる発熱体としては用いず、ヒータエレメントを主なる
発熱体として用いることで、発熱体の温度を従来のＰＴ
Ｃ素子を用いたエアヒータよりも高くできるので、吸気
温度を高温に上げることができる。また、ＰＴＣ素子
を、ヒータエレメントの過昇温を防止するための制御素
子として使用しているので、制御装置を簡易化すること
ができる。更に、発熱体としてはヒータエレメントを使
用しているので、吸入抵抗（圧力損失）も小さくて済
む。

【００１２】請求項２の発明では、上述した構成のＰＴ
Ｃ素子部の両側にヒータエレメント部を配置した構成を
採用するので、装置自体がコンパクトで、しかも熱効率
が良いという利点がある。請求項３の発明では、内燃機
関を予熱するプリヒート後にクランキングを行なう際
に、内燃機関用エアヒータへの通電を所定期間禁止して
いるので、クランキングスタート後における吸気加熱を
効果的に行なうことができ、しかも、バッテリの回復を
図ることができるので、始動性が改善する。以下、この
原理について詳述する。

【００１３】エアヒータへの通電により、一旦ＰＴＣ素
子が昇温して電流が制限されると、ヒータエレメントの
温度が下がっても、ＰＴＣ素子は自己発熱で高温状態を
維持するので電流制限状態が持続し、ヒータエレメント
に再度発熱のための電流が流れ難くなる。

【００１４】例えば、エンジン始動時において、エアヒ
ータが稼動する場合には、クランキング前にある程度ヒ
ータに通電をするのが一般的に行われており（プリヒー
ト）、このプリヒートを長くし過ぎた場合（例えば運転
者がキーをスタートの位置にしたままクランキングする
のを忘れていた場合）などには、前記請求項１又は２の
発明では、ＰＴＣ素子が働いてヒータエレメントが過昇
温することを防止する。ところが、この様なプリヒート
後にクランキングをスタートする場合には、ＰＴＣ素子
が自己発熱によって電流を制限しているため、ヒータエ
レメントの温度は上り難く、よって吸気は充分に加熱さ
れないことになる。

【００１５】そこで、本発明では、この問題を回避する
ために、エアヒータに流す電流を、（プリヒート後に）
クランキングがスタートしたときには一定期間停止し、
これによって、ＰＴＣ素子の自己発熱によって電流制限
状態にあることを解除している。

【００１６】即ち、エアヒータに流す電流を一旦停止す
ることによって、ＰＴＣ素子は自己発熱しなくなるの
で、吸気によって冷却される。そのため、再び通電した
場合にはＰＴＣ素子の抵抗値は充分に低く、自己発熱も
少なくなっている。よって、ヒータエレメントには発熱
に充分な電流が流れ、吸気が加熱される状態（アフター
ヒート）に好適に移行することができるので、始動性が
改善することになる。

【００１７】

【実施例】本発明の内燃機関用エアヒータの実施例につ
いて、図面に基づいて説明する。 （実施例１）図１に基本構成を示す様に、本実施例の内
燃機関用エアヒータ（以下単にエアヒータと記す）は、
ＰＴＣ素子部１の両側に、ヒータエレメント部３を積層
配置したものであり、図の紙面に対して垂直方向に吸気
が行われる。

【００１８】前記ＰＴＣ素子部１は、ＰＴＣ素子５と、
ＰＴＣ素子５の両側に配置されたＰＴＣ保持電極７と、
各ＰＴＣ保持電極７の外側に配置された放熱フィン９と
から構成されている。このうち、ＰＴＣ素子５は、正の
温度抵抗係数を有するセラミック発熱体であり、ここで
は、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃）系セラミック焼
結体からなる厚さ１ｍｍの板状のものを用いる。また、
ＰＴＣ保持電極７は、黄銅，銅，又はアルミニウム等か
らなり、その一端にて外方向に折れ曲がっている。放熱
フィン９は、黄銅，銅，又はアルミニウム等からなる帯
状の部材が、上下の幅が１０ｍｍとなる様に蛇行して形
成されたものである。

【００１９】一方、ヒータエレメント部３は、ヒータエ
レメント１１（リボンヒータ）と、各ヒータエレメント
１１の両側に配置されたインシュレータ１３と、インシ
ュレータ１３の外側に配置されたブラケット１５とから
構成されている。このうち、ヒータエレメント１１は、
鉄・クロム合金，又はステンレス鋼からなる帯状の部材
であり、上下の幅が３５ｍｍとなる様に順次平行に折曲
げられたものである。また、インシュレータ１３は、ア
ルミナ，ジルコン，又はステアタイト等のセラミックか
らなる電気絶縁性を備えた部材であり、ヒータエレメン
ト１１の曲げ部１２を保持している。ブラケット１５
は、亜鉛メッキ鋼板からなり、ヒータエレメント１１及
びインシュレータ１３を覆うようにして保持するもので
ある。

【００２０】そして、各ヒータエレメント１１の一端
（図の右側）は、各ＰＴＣ保持電極７に接続されてお
り、各ヒータエレメント１１の他端（図の左側）には、
図示しない電源が接続されている。尚、ＰＴＣ素子５自
体の発熱によってＰＴＣ素子５の温度が上昇してしまう
条件では、ヒータエレメント１１の温度によってヒータ
エレメント１１の電流を制限する作用に誤差が生じるの
で、ヒータエレメント１１の抵抗値は以下の条件を満た
す様に設定する必要が有る。本実施例のエアヒータで
は、下記の式を満たすようにＰＴＣ素子５の抵抗値及び
ヒータエレメント１１の抵抗値を設定する。

【００２１】（Ｖ_P ²／Ｒ_P）＜ＰＴＣ素子からの放熱能
力 Ｖ_P；ＰＴＣ素子に印加される電圧、Ｒ_P；ＰＴＣ素子の
抵抗値 ＜実験例＞次に、本実施例の効果を確認するために行っ
た実験例について説明する。

【００２２】実験に使用する装置は、前記実施例１のエ
アヒータを板ばねを介して上下方向から挟んだものを使
用した。そして、図２に示す様に、ヒータエレメントに
定電圧電源を接続し、ブロアにて送風を行った（２．４
ｍ³／ｍｉｎ）。この場合、ヒータエレメントには、約
３６Ａの電流が流れる。

【００２３】実験条件のエアヒータの通電パターンとし
ては、図３（ａ）に示す様な無風通電と、図３（ｂ）
に示す様な送風通電と、図３（ｃ）に示す様なシス
テム通電の３種類を選択した。この無風通電とは、送
風を行わない状態で、ヒータ電圧を９０秒間一定とした
ものである。また、送風通電とは、送風を行なう状態
で、ヒータ電圧を９０秒間一定としたものである。更
に、システム通電とは、最初の３０秒間は送風を行わ
ず、その後６０秒間は送風を行なう場合に、ヒータ電圧
を一定とするが、３０〜３５秒の間の５秒間はヒータ電
圧を印加しないものである。

【００２４】そして、これらの各実験条件において、ヒ
ータエレメントの温度（エレメント温度）や、エアヒー
タに流れる電流（ヒータ電流）を測定した。その結果
を、図４に示す。図４（ａ）から明かな様に、無風通
電の場合には、急速にエレメント温度が上昇し、３０秒
程度経過するとエレメント温度がピークに達する。この
エレメント温度の上昇に伴い、ＰＴＣ素子の温度も高く
なってその抵抗が大きくなるので、ヒータ電流は急落
し、それによって、エレメント温度も徐々に低下する。
一方、ＰＴＣ素子がない場合は、図の点線で示す様に、
エレメント温度は過度に上昇してしまう。

【００２５】つまり、無風通電時は、ヒータエレメント
からの伝達熱、及びＰＴＣ素子の自己発熱により、ＰＴ
Ｃ素子の素子抵抗が増大するので、ヒータエレメントの
過昇温を抑えることができる。図４（ｂ）から明かな様
に、送風通電の場合には、送風により冷却されてエレ
メント温度はあまり上昇しないので、ＰＴＣ素子の抵抗
は小さいままであり、よって、ヒータ電流も大きなまま
である。

【００２６】つまり、ＰＴＣ素子の自己発熱が少なく、
且つヒータエレメントからの伝達熱も少なく、しかもＰ
ＴＣ素子を保持するＰＴＣ保持電極には放熱フィンが付
いているため、自己発熱やヒータエレメントからの伝達
熱を放熱することができるので、ＰＴＣ素子の温度の上
昇は少なく、よって、ＰＴＣ素子の抵抗増大には至らな
い。それにより、送風通電の場合は、従来のリボンヒー
タと同様の通電による加熱を行なうことができる。

【００２７】図４（ｃ）では、通電状態は一定として送
風状態のみを切り換えた場合を実線で示し、送風状態の
切り換えとともに５秒間の通電カットを行った場合（
システム通電）のヒータ電流を二点鎖線で示し、通電カ
ットの場合のエレメント温度を点線で示している。同図
から明かな様に、このシステム通電の場合には、通電
直後は前記無風通電の様に、エレメント温度が急上昇
し、その後、前記送風通電の様に、エレメント温度の
過度の上昇を抑制して、適度な温度に設定することがで
きる。

【００２８】つまり、何秒かの無風通電の後に送風通電
に切り替わるシステムでは、無風で通電している間にＰ
ＴＣ素子の抵抗値が過大となった場合には、ＰＴＣ素子
にかかる電圧が増え、送風直後でも一定電力でＰＴＣ素
子が発熱しようとするため、送風通電は充分に行えない
が、この場合、無風通電から送風通電への切り換え時に
数秒通電をストップさせて（クランキング時通電カッ
ト）ＰＴＣ素子を冷却すれば、再通電で前述と同様の送
風通電が可能となる。

【００２９】尚、始動直後に、エアヒータの数秒間の通
電カットを行なう場合には、バッテリ電圧の低下が抑え
られるので、スタータによる回転が上昇し、それによ
り、始動性が改善するという利点もある。 （実施例２）次に、実施例２について説明する。

【００３０】本実施例は、前記実施例１とは、内燃機関
用エアヒータの構造が異なるので、異なる点のみを説明
する。図５に示す様に、本実施例のエアヒータは、ＰＴ
Ｃ素子部２１が、前記実施例１と大きく異なる。

【００３１】つまり、ＰＴＣ素子部２１は、中央に配置
された放熱フィン２３と、放熱フィンの両側に配置され
た導電板２５と、各導電板２５の外側に配置されたＰＴ
Ｃ素子２７と、各ＰＴＣ素子２７の外側に配置されたＰ
ＴＣ素子保持電極２９と、各ＰＴＣ素子保持電極２９の
外側に配置された放熱フィン３１と、各放熱フィン３１
の外側に配置された板材３３とからなる。

【００３２】このうち、放熱フィン２３，３１と、ＰＴ
Ｃ素子２７と、ＰＴＣ素子保持電極２９とは、前記実施
例１と同様な部材から構成されているが、２層のＰＴＣ
素子２５の間に放熱フィン２３が配置されている点と、
一方の導電板２５がグランドに接続されている点に特徴
がある。

【００３３】本実施例によっても、前記実施例１と同様
な効果を奏するとともに、２層のＰＴＣ素子２５及びそ
の間に挟まれた放熱フィン２３の構成により、コンパク
トにエアヒータを構成できる上、通電開始初期の電流を
多く流すことができるという利点がある。 （実施例３）次に、実施例３について説明する。

【００３４】本実施例では、内燃機関用エアヒータの構
造ではなく、その制御方法であるシステム通電に特徴が
あるので、この点のみを説明する。エンジンの始動待ち
時間を短くするために、電力を大きく（ヒータエレメン
トの抵抗を小さく）することが望ましいが、この場合、
ヒータエレメントの昇温が速いので、耐久性を確保する
ために、例えば図６に示す様な回路構成を採用して、通
常９００℃以上にならない様に、制御装置（コントロー
ラ）でリレーをＯＦＦする必要がある。

【００３５】ところが、バッテリー電圧、コントロー
ラ、ヒータエレメント昇温特性等の各バラツキを考慮に
入れると、図７に示す様に、リレーＯＦＦまでの時間Ｔ
_Pの最大値（Ｔ_Pｍａｘ）で、耐久性の有る（即ち９００
℃以上にならない）システムを設定せざるを得ない。よ
って、バラツキの下限側の時間（Ｔ_Pｍｉｎ）では充分
にヒータエレメントを昇温できないことになる。

【００３６】そこで、本実施例では、ヒータの過昇温で
耐久性が劣化する恐れはないから、コントローラ側のリ
レーＯＦＦまでの時間Ｔ_Pの設定を、予め長く取ってお
く（即ちＴ_pｍａｘとする）ので、エアヒータの通電Ｏ
ＦＦまでの時間（この場合、ＰＴＣ素子による自己制御
のかかるまでの時間）Ｔ_Pαは常に最大値となり、よっ
て、ヒータエレメントにおける充分な昇温を行なうこと
ができる。

【００３７】ここで、ＰＴＣ素子による自己抑制が効い
て過昇温の可能性が低いにもかかわらずリレーをＯＦＦ
するのは、既にエンジンが始動した状態になれば、エア
ヒータを加熱しても意味が無いので、無駄な電力消費を
なくすためである。 （実施例４）次に、実施例４について説明する。

【００３８】本実施例では、内燃機関用エアヒータの構
造ではなく、その回路構成に特徴があるので、この点の
みを説明する。エンジンの始動時に、エアヒータによる
加熱を急速に行なうために、エアヒータに加える電力を
大電力とする手法として、従来は図８（ａ）の接続が用
いられていた。即ち、大電力が必要な場合は、同図で下
のリレーのみを接続し、大電力を必要としない場合は、
同図で上のリレーのみを接続することで供給電力を調整
していた。ところが、この装置では、リレーを２個使用
しなければならない。

【００３９】そこで、本実施例では、例えば素子の保持
電極に特に放熱フィンを設けない様にして、ＰＴＣ素子
及びその周囲が放熱しにくい形状とし、且つヒータエレ
メントよりＰＴＣ素子の抵抗を小さくすれば、図８
（ｂ）の接続とすることにより、予熱時のみ大電力とす
ることができる。それにより、リレーが一つで済むとい
う利点がある。

【００４０】尚、本発明は前記実施例になんら限定され
るものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲におい
て種々の態様で実施しうることはいうまでもない。 （１）例えば、エアヒータの自己制御特性を調整してイ
ンシュレータの温度が上昇しすぎない様にすれば、イン
シュレータとブラケットの間に耐熱樹脂等の断熱材を組
み込むことができ、ヒータ効率のアップにつながる。

【００４１】（２）また、ヒータエレメントとＰＴＣ素
子の配置関係は、流路の形状、流速やインシュレータ、
電極等の熱的特性により決定されるので、前記各実施例
の位置関係にこだわる必要は無い。 （３）回路構成としては、図９（ａ）のＰＴＣ素子と直
列に（その両側にて）ヒータエレメントを接続する構成
以外に、図９（ｂ）のＰＴＣ素子に対して直列及び並列
にヒータエレメントを接続する構成も採用できる。この
場合、通電直後はＰＴＣ素子を通る大電流が得られ、Ｐ
ＴＣ素子の抵抗値が大となった後は、矢印の様な流れで
省電力化を行うことができる。

【００４２】

【発明の効果】以上詳述した様に、請求項１の発明で
は、過昇温を防止できるとともに、迅速で且つ高温の放
熱を実現できる。また、ＰＴＣ素子により自己制御特性
があるので、制御システムを簡易化できるという効果も
ある。

【００４３】請求項２の発明では、装置がコンパクト
で、且つ熱効率がよいという利点がある。請求項３の発
明では、クランキング時に内燃機関用エアヒータの通電
カットを行なうので、前記請求項１の発明の効果に加え
て、クランキングスタート後の吸気加熱を好適に行なう
ことができ、しかも、バッテリを節約できるので、エン
ジンの始動性を改善できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例１の内燃機関用エアヒータの基本構成
を示す正面図である。

【図２】 実施例１の内燃機関用エアヒータの実験装置
を示す説明図である。

【図３】 実施例１の内燃機関用エアヒータの実験によ
る通電状態を示す説明図である。

【図４】 実施例１の内燃機関用エアヒータの実験結果
を示すグラフである。

【図５】 実施例２の内燃機関用エアヒータのＰＴＣ素
子部を示す正面図である。

【図６】 実施例３の内燃機関用エアヒータの回路構成
を示す説明図である。

【図７】 実施例３の内燃機関用エアヒータの制御状態
を示す説明図である。

【図８】 内燃機関用エアヒータの回路構成を示し、
（ａ）は従来例を示す回路図、（ｂ）は実施例４を示す
回路図である。

【図９】 内燃機関用エアヒータの回路構成を示し、
（ａ）は実施例１の回路図、（ｂ）は他の例を示す回路
図である。

【符号の説明】

１，２１…ＰＴＣ素子部 ３…ヒータエレメン
ト部 ５，２７…ＰＴＣ素子 ７，２９…ＰＴＣ素
子保持電極 ９，２３，３１…放熱フィン １１…ヒータエレメ
ント １３…インシュレータ １５…ブラケット

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ヒータエレメントに直列にＰＴＣ素子を
   接続し、該ヒータエレメントからの熱伝達によってＰＴ
   Ｃ素子が加熱される構成としたことを特徴とする内燃機
   関用エアヒータ。
2. 【請求項２】 順次平行に曲げられた帯状のヒータエレ
   メントの曲げ部両側をインシュレータで保持したヒータ
   エレメント部と、ＰＴＣ素子を放熱フィンで挟んだＰＴ
   Ｃ素子部と、を備えるとともに、 前記ＰＴＣ素子部の両側に前記ヒータエレメント部を配
   置したことを特徴とする前記請求項１記載の内燃機関用
   エアヒータ。
3. 【請求項３】 前記請求項１又は２記載の内燃機関用エ
   アヒータへの通電を制御する内燃機関用エアヒータの制
   御装置であって、 内燃機関を予熱するプリヒート後にクランキングを行な
   う際には、内燃機関用エアヒータへの通電を所定期間禁
   止することを特徴とする内燃機関用エアヒータの制御装
   置。