特許 7590306 エアヒータ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-18

(45)【発行日】2024-11-26

(54)【発明の名称】エアヒータ装置

(51)【国際特許分類】

   F02M 31/13 20060101AFI20241119BHJP

   F02M 35/10 20060101ALI20241119BHJP

   F02M 35/104 20060101ALI20241119BHJP

【ＦＩ】

F02M31/13 311J

F02M31/13 301G

F02M31/13 301J

F02M35/10 311B

F02M35/104 B

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021178574

(22)【出願日】2021-11-01

(65)【公開番号】P2023067389

(43)【公開日】2023-05-16

【審査請求日】2023-12-20

(73)【特許権者】

【識別番号】000001052

【氏名又は名称】株式会社クボタ

(74)【代理人】

【識別番号】100087653

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴江 正二

(72)【発明者】

【氏名】山▲崎▼ 隆寛

(72)【発明者】

【氏名】長井 健太郎

(72)【発明者】

【氏名】小村 隆太郎

(72)【発明者】

【氏名】沖見 昇一

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 卓

【審査官】小関 峰夫

(56)【参考文献】

【文献】特開平０５－１２６００１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－２４００８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開平０１－１７４５６０（ＪＰ，Ｕ）

【文献】実開平０３－０５４２５４（ＪＰ，Ｕ）

【文献】実開平０６－０１４４５９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】実開平０６－０２５５４５（ＪＰ，Ｕ）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／００３２６０８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｍ ３１／００

Ｆ０２Ｍ ３５／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１及び第２ヒータを有してエンジンの吸入空気を加熱可能なヒータ部が備えられ、
前記第１ヒータと前記第２ヒータとを交互に作動させる交互加熱モードが行える構成とされ、
前記交互加熱モードは、同時加熱併有交互加熱モードと通常交互加熱モードと間欠交互加熱モードを備え、エンジンの低温始動時は、制御装置により、前記同時加熱併有交互加熱モード後に前記通常交互加熱モードへの切り替えが自動的に行われると共に、前記通常交互加熱モード後に前記間欠交互加熱モードへの切り替えが自動的に行われるように構成され、
前記同時加熱併交互加熱モードは、前記第１ヒータと前記第２ヒータの両ヒータを同時に作動させる時間帯を備え、
前記通常交互加熱モードは、前記両ヒータの一方と他方を交互に作動させる時間帯のみを備え、
前記間欠交互加熱モードは、前記両ヒータを共に非作動とする時間帯を備えるように構成されているエアヒータ装置。

【請求項2】

前記第１ヒータと前記第２ヒータとは、吸入空気の流れ方向に沿って並べられている請求項１に記載のエアヒータ装置。

【請求項3】

前記第１ヒータと前記第２ヒータとは、これら両者が積層された一つの構成要素として前記ヒータ部に設けられている請求項２に記載のエアヒータ装置。

【請求項4】

前記第１ヒータ及び／又は前記第２ヒータは、吸入空気の流れ方向に対して交差する方向の面に拡がる状態に構成されている請求項１～３の何れか一項に記載のエアヒータ装置。

【請求項5】

前記第１ヒータ及び／又は前記第２ヒータは、吸入空気の通路の断面積の大部分に亘る状態に形成されている請求項４に記載のエアヒータ装置。

【請求項6】

前記ヒータ部が、吸気マニホルドの吸気入口とスロットル弁の吸気出口とに挟まれる状態で設けられている請求項１～５の何れか一項に記載のエアヒータ装置。

【請求項7】

上向きに開口する前記吸気入口と下向きに開口する前記吸気出口との上下間に前記ヒータ部が介装されている請求項６に記載のエアヒータ装置。

【請求項8】

前記ヒータ部は、ヘッドカバーの側脇に配置されている請求項７に記載のエアヒータ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エンジンにおいて、吸気ポートに供給されるエア（空気）を加温させることができるエアヒータ装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

低温環境下でエンジン始動する場合、筒内壁（シリンダ壁）温度がすぐには上昇しないことによってＨＣやＣＯが通常より発生し易い傾向がある。そこで、機種によっては、筒内壁温度を素早く上昇させるために、始動時に吸入エアを加温（又は加熱）させるエアヒータが用いられている。このような技術としては、特許文献１にて開示されるエンジンが知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００３－４９６２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

低温環境下でのエンジン始動時におけるエアヒータの使用により、素早く筒内壁温度を上昇させてＨＣやＣＯの発生を防止可能になったが、反面、エアヒータの作動時間に限界がある、という問題が生じることがあった。

【0005】

即ち、極低温時などにおいては、エアヒータの長時間作動による熱変形の可能性があるため、初期の時間より早くエアヒータを停止させねばならない場合があった。つまり、ＨＣやＣＯの発生を抑えるべく長時間作動させるとエアヒータ損傷のおそれがあり、エアヒータの熱変形を防止すべく作動時間を短縮するとＨＣやＣＯの発生を抑え難くなる、というジレンマである。

【0006】

本発明の目的は、エアヒータの構造工夫により、熱変形することなく長時間作動を可能として、十分なＨＣやＣＯの発生防止作用を発揮できるように、より改善されたエアヒータ装置を提供する点にある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、エアヒータ装置において、
第１及び第２ヒータを有してエンジンの吸入空気を加熱可能なヒータ部が備えられ、
前記第１ヒータと前記第２ヒータとを交互に作動させる交互加熱モードが行える構成とされ、
前記交互加熱モードは、同時加熱併有交互加熱モードと通常交互加熱モードと間欠交互加熱モードを備え、エンジンの低温始動時は、制御装置により、前記同時加熱併有交互加熱モード後に前記通常交互加熱モードへの切り替えが自動的に行われると共に、前記通常交互加熱モード後に前記間欠交互加熱モードへの切り替えが自動的に行われるように構成され、
前記同時加熱併有交互加熱モードは、前記第１ヒータと前記第２ヒータの両ヒータを同時に作動させる時間帯を備え、
前記通常交互加熱モードは、前記両ヒータの一方と他方を交互に作動させる時間帯のみを備え、
前記間欠交互加熱モードは、前記両ヒータを共に非作動とする時間帯を備えるように構成されていることを特徴とする。

【0008】

本発明に関して、上述した構成（手段）以外の特徴構成や手段ついては、請求項２～８を参照のこと。

【発明の効果】

【0009】

エアヒータ装置は、主に低温下での始動時に用いられ、吸入空気を暖めることによってＨＣ，ＣＯの低減が可能となる利点がある。しかしながら、温度条件によっては長時間に亘ってエアヒータ装置が作動されることがあり、そうなるとエアヒータ装置や周りの部品などに熱変形を生じさせるおそれがある。

【0010】

そこで、本発明によれば、２つのヒータを有してなるヒータ部において、２つのヒータを交互にオン、即ち加熱作動させる交互加熱モードを行うことにより、ヒータ部自体や周囲の構造物の熱上昇を一定値に抑えながら吸入空気を適切に加熱させることが可能になる。つまり、熱変形を防止しながらＨＣ、ＣＯを抑制することができる。

【0011】

その結果、エアヒータの構造工夫により、熱変形することなく長時間作動を可能として、十分なＨＣやＣＯの発生防止作用を発揮できるように、より改善されたエアヒータ装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】エアヒータの平面図

【図2】（Ａ）はエアヒータの正面図、（Ｂ）はエアヒータの側面図

【図3】エアヒータを含む吸気通路の主要部を示す構造図

【図4】エンジンのエアヒータ部分を示す正面図

【図5】エンジンのエアヒータ部分を示す右側面図

【図6】エンジンの正面図

【図7】エンジンの左側面図

【図8】エンジンの右側面図

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下に、本発明によるエアヒータ装置の実施の形態を、農用トラクタなどに搭載される産業用エンジンに適用された例について図面を参照しながら説明する。

【0014】

図６～図８に産業用エンジンの例として、立形の直列多気筒ディーゼルエンジンＥが示されている。このエンジンＥは、シリンダブロック２と、シリンダヘッド１８と、ヘッドカバー（シリンダヘッドカバー）１９と、伝動ケース（フロントケース）１と、フライホイールハウジング２０と、オイルパン２１とを備えている。
シリンダブロック２は、下部のクランクケース２ａと、上部のシリンダ部２ｂとからなり、シリンダ部２ｂの上にシリンダヘッド１８が組み付けられ、シリンダヘッド１８の上にヘッドカバー１９が組み付けられている。

【0015】

クランク軸３の軸心Ｑの軸心（軸線）方向を前後方向とし、フライホイールハウジング２０のある方を後、シリンダブロック２に組付けられる伝動ケース１のある方を前とする。そして、排気マニホルド２３やＥＧＲクーラ２４のある方を左、その反対で吸気マニホルド５やスロットル弁６などが配置される方を右とする。

【0016】

図６～図８において、２５はオルタネータ、２６は冷却ファン、２７はウォータポンプ、２８は過給機（ターボチャージャー）、２９は伝動ベルト、３１は排気管、３２は排気処理ケース、３３はオイルクーラ、３４はオイルフィルタである。そして、Ｐはオイルポンプ、４２はサプライポンプであり、吸気マニホルド５とその上のスロットル弁６との上下間にはエアヒータ装置７が設けられ（介装され）ている。

【0017】

図３～図５に示されるように、このエンジンＥにおける空気の供給経路である吸気通路は、エアクリーナ（図示省略）、過給機２８のコンプレッサ２８Ａ（図７を参照）、連通パイプ８、フランジ９、スロットル弁６、エアヒータ装置７、吸気マニホルド５であり、この順で空気が流れてシリンダヘッド１８の吸気ポート１８Ａに供給される。エンジンＥの左側に配置されるコンプレッサ２８Ａと、右側に配置されるスロットル弁６とは、ヘッドカバー１９の上を左右に横切って延びて配置される連通パイプ８と、連通パイプ８に嵌合して接続される横向きのエア入口部９Ａを有するフランジ９と、により連通されている。連通パイプ８とエア入口部９Ａとは連結パイプ１６により連通接続されている。

【0018】

スロットル弁６の上に配置されるフランジ９は、その下向きに開口するエア出口部９Ｂがスロットル弁６のエア通路６Ａに重ねられている。スロットル弁６とエアヒータ装置７との上下間に板状のスペーサ１５が介装され、スペーサ１５の開口孔１５Ａとエア通路６Ａとが重なる位置関係になっている。エアヒータ装置７は、吸気マニホルド５において上向き開口５ａを有する吸気入口５Ａに重ねられている。吸気マニホルド５は、シリンダヘッド１８の右側面に開口する４つの吸気ポート１８Ａ（図３を参照）を覆う大開口５ｂを有するマニホルド本体５Ｂと、前述の吸気入口５Ａとを有している。なお、図４，５において、３７はＥＧＲバルブ冷却水経路（戻り）、３８は高圧燃料配管〔サプライポンプ４２→レール（図示省略）〕である。

【0019】

〔実施形態１〕
図１～図３に示されるように、電気式のエアヒータ装置（単に「エアヒータ」と呼んでも可）７は、枠体（フレーム）１０と、枠体１０に収容支持されるヒータ部１１と、陰極（－）と陽極（＋）とで一対の端子１２，１３とを有し、枠体１０にはエア通路１４が貫通形成されている。枠体１０は、平面視の形状が矩形（角丸正方形）で、４隅のそれぞれの形成される連通孔１０ａ、及び平面視形状が矩形のエア通路１４などを有し、枠体１０の前後の側壁部１０Ａ，１０Ｂのそれぞれに端子１２，１３が設けられている。

【0020】

エンジンの吸入空気を加熱可能なヒータ部１１は、第１ヒータ７Ａ及び第２ヒータ７Ｂ〔図２（Ａ）を参照〕を上下に重ねて配置することで構成され、エア通路１４を横切るように枠体１０に内装されている。つまり、第１ヒータ７Ａと第２ヒータ７Ｂとは、吸入空気の流れ方向（上下方向）に沿って並べられ、これら両者７Ａ，７Ｂが積層された一つの構成要素としてヒータ部１１に設けられている。第１及び第２ヒータ７Ａ，７Ｂは、吸入空気の流れ方向に対して交差する方向（方向及び左右方向）の面に拡がる状態に構成されている。

【0021】

つまり、エアヒータ装置７においては、第１及び第２ヒータ７Ａ，７Ｂ〔図２（Ａ）を参照〕は、吸入空気の通路であるエア通路１４（図１を参照）の断面積の大部分に亘る状態に形成され、ヒータ部１１が、吸気マニホルド５の吸気入口５Ａとスロットル弁６の吸気出口６ａ（エア通路６Ａの下端開口）とに挟まれる状態で設けられている（図３を参照）。そして、上向きに開口する吸気入口５Ａと下向きに開口する吸気出口６ａとの上下間にヒータ部１１が介装されている。また、エアヒータ装置７は、その下端部はシリンダヘッド１８の横に位置するが、大部分はヘッドカバー１９の側脇に配置されている。

【0022】

図１に示されるように、第１ヒータ７Ａは、線材状で多数折り返されてなるヒータコア１１ａと、ヒータコア１１ａを支える一対の支持部１１ｂ，１１ｂと、ヒータコア１１ａの両端それぞれに導通される一対の端子部１１ｃ、１１ｃとから構成されている。この構成は第２ヒータ７Ｂでも同じである。ヒータコア１１ａは、断面方向視（上下方向視）でエア通路１４の大部分に亘る状態に配策されている。

【0023】

図１に実線及び太い仮想線で示すように、各ヒータ７Ａ，７Ｂのそれぞれに陰陽の端子１２，１３が設けられており、各別にオン・オフの切替が可能となるように構成されている。例えば、各ヒータ７Ａ，７Ｂの陽極の端子１３，１３、バッテリ１７の陽極端子１７ａ、及びモード選択スイッチ（モード切替えスイッチ）３６が制御装置（ＥＣＵなど）３５に導通接続されて、エアヒータ操作系Ｓが構築されている。陰極の端子１２やバッテリの陰極端子（符記省略）はアースされているとよい。スイッチなどによるモード選択手段３６により、次の述べる交互加熱モード、第２交互加熱モード、間欠交互加熱モード、その他のモードを選択（切替え）することができる。

【0024】

次に、エアヒータ装置７の動作（作動制御）について説明する。第１及び第２ヒータ７Ａ，７Ｂは、それぞれ各別に通電によるオン〔ヒータコア１１ａが加熱又は加温される通電（作動）状態〕と、通電停止によるオフ〔ヒータコア１１ａが加熱又は加温されない通電停止（非作動）状態〕との選択が可能に構成されている。つまり、第１ヒータ７Ａ及び／又は第２ヒータ７Ｂをオンとするモード（制御）や、両ヒータ７Ａ，７Ｂを共にオフとするモード（制御）が可能である。そして、第１ヒータ７Ａと第２ヒータ７Ｂとを交互に作動させる交互加熱モードも行える構成とされている。

【0025】

交互加熱モードの例としては、通常交互加熱モードがある。この通常交互加熱モードは、第１ヒータ７Ａのみを所定時間（例：３分）オンさせ、次の所定時間（例：３分）は第２ヒータ７Ｂのみをオンさせる、を繰り返し行う、という制御である。この通常交互加熱モードでは、２つのヒータ７Ａ，７Ｂを同時にオンさせることはない。なお、所定時間は３分以外でも良い

【0026】

また、第１ヒータ７Ａを第１時間（例：３分）はオンさせ、次の第２時間（例Ｘ分：１≦Ｘ≦３）はオフさせる、を繰り返すとともに、第２ヒータ７Ｂを第２時間（例Ｘ分：１≦Ｘ≦３）はオンさせ、次の第１時間（例：３分）はオフさせる、を繰り返す第２交互加熱モード(同時加熱併有交互加熱モード)を実行する制御も可能である。この第２交互加熱モード(同時加熱併有交互加熱モード)では、２つのヒータ７Ａ，７Ｂを同時にオンさせる時間帯も、いずれか一方のヒータ７Ａ又は７Ｂだけオンさせる時間帯も存在する。

【0027】

さらに、間欠交互加熱モードも可能である。前述の通常交互加熱モードにおいては、第１ヒータ７Ａと第２ヒータ７Ｂとは切換わり時間ｋｔがゼロ（ｋｔ＝０）で切り換わる、即ち、必ずいずれかのヒータ７Ａ又は７Ｂがオンされているに対して、間欠交互加熱モードは、第１ヒータ７Ａと第２ヒータ７Ｂとは切り換わり時間ｋｔをゼロより大（ｋｔ＞０）として、双方のヒータ７Ａ，７Ｂを共にオフとする時間帯を設ける制御である。

【0028】

前述したように、エアヒータ装置７は、主に低温下での始動時に用いられ、吸入空気の加熱（加温）によってＨＣ，ＣＯの低減、及びそれによって始動時の排気臭の抑制が可能となる利点がある。しかしながら、長時間に亘るエアヒータ装置７の加熱作動によって熱変形を生じさせるおそれがある。そこで、２つのヒータ７Ａ，７Ｂが上下２層にされたヒータ部１１を交互にオンとする交互加熱モードを行うことにより、枠体１０などの熱上昇を一定値に抑えながら吸入空気を適切に加熱させることが可能になり、熱変形を防止しながらＨＣ、ＣＯを抑制することができる。

【0029】

例えば、極低温での始動時には、まず、双方のヒータ７Ａ，７Ｂを同時にオン（連続オン）させる「強モード」として素早く吸入空気を加熱させ、それからある程度強く加熱可能な「第２交互加熱モード(同時加熱併有交互加熱モード)」とし、十分に吸入空気の温度が高まったら「通常交互加熱モード」にする、といった具合である。そして、その後は「間欠交互加熱モード」に移行し、その状態が維持される、又は全オフとされるようにしても良い。

【0030】

なお、これらのモード切替えは、制御装置３５によって自動的に行われる。
この実施形態では、前記交互加熱モードは、同時加熱併有交互加熱モードと通常交互加熱モードと間欠交互加熱モードを備え、エンジンの低温始動時は、制御装置３５により、前記同時加熱併有交互加熱モード後に前記通常交互加熱モードへの切り替えが自動的に行われると共に、前記通常交互加熱モード後に前記間欠交互加熱モードへの切り替えが自動的に行われるように構成され、前記同時加熱併有交互加熱モードは、前記第１ヒータと前記第２ヒータの両ヒータ７Ａ,７Ｂを同時に作動させる時間帯を備え、前記通常交互加熱モードは、前記両ヒータ７Ａ,７Ｂの一方と他方を交互に作動させる時間帯のみを備え、前記間欠交互加熱モードは、前記両ヒータ７Ａ,７Ｂを共に非作動とする時間帯を備えるように構成されている。

【0031】

実施形態１によるエアヒータ装置７によれば、次のような作用効果（１）～（４）を得ることができる。また、作用効果（５）や（６）も得ることができる。
（１）低温環境下でのエンジン始動時のＨＣ，ＣＯ低減によって環境負荷を抑えることができる。
（２）エンジン始動時の臭い（排気臭）が抑えられ、運転手やユーザーなどに不快感を与えないようにすることができる。

【0032】

（３）エアヒータ装置７のオン（吸入空気の加熱）によってスロットル弁６の開度を上げる（増す）ことができ、ポンピングロス低減による燃費向上が期待できる。
（４）交互加熱モードの採用により、エアヒータ装置７の枠体１０などの熱変形を防止（抑制）させながら、前記（１）や（２）の作用効果を奏することができる。

【0033】

（５）各ヒータ７Ａ，７Ｂは、エア通路１４の流れ方向に交差（直交）する方向に拡がる状態で設けられているので、全長（空気の流れ方向の長さ）を抑えながら効率良く空気を加熱させることができる。
（６）ヘッドカバー１９の側脇、即ち、横方向の近い箇所にエアヒータ装置７が配置されているから、エアヒータ装置７を含むエンジンヘッド部をコンパクトに構成しながら、効率良く吸入空気を加熱することができる。

【0034】

〔別実施形態〕
積層されるヒータ数は３つ以上でもよく、また、ヒータコア１１ａが空気流れ方向に対して傾いた斜め配置される構成や、エア通路１４の全域又はほぼ全域に亘る構成や、電気式以外の加熱手段によるエアヒータ装置７とされる構成など、種々の変更設定が可能である。

【符号の説明】

【0035】

５ 吸気マニホルド
５Ａ 吸気入口
６ スロットル弁
６Ａ 吸気出口
７ エアヒータ装置
７Ａ 第１ヒータ
７Ｂ 第２ヒータ
１１ ヒータ部
１９ ヘッドカバー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】