JP4707145B2 - 吸気加熱装置 - Google Patents

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。

請求項２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２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３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３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１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１記載の吸気加熱装置。

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