(57)【要約】      （修正有）【課題】エンジン始動時及び直後の吸気を加熱することにより、燃料の燃焼条件を直接的に改善し、始動の際に排出される未燃焼ハイドロカーボン等を大幅に低減させることができる。【解決手段】吸気を加熱して燃料混合気を調製するエンジン吸気加熱システム１であって、吸気が流動させられる吸気加熱管路８と、上記吸気加熱管路中に設けられて吸気を加熱する蓄熱器７とを備え、定常運転時に上記蓄熱器に蓄熱する蓄熱行程と、エンジン始動時において、上記吸気加熱管路に吸気を流動させるとともに、加熱された吸気に燃料を噴射して燃料混合気を調製し、エンジン燃焼室へ導入する吸気加熱行程とを含み、上記蓄熱器を、熱伝導性構造体の空隙に固体蓄熱物質が保持されているとともに通気性を有する蓄熱構造体を備えて構成し、上記吸気加熱行程において、上記蓄熱構造体内に上記吸気を流動させることにより加熱が行われるように構成している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気を加熱して燃料混合気を調製するエンジン吸気加熱システムであって、
吸気が流動させられる吸気加熱管路と、上記吸気加熱管路中に設けられて吸気を加熱する蓄熱器とを備え、
定常運転時に上記蓄熱器に蓄熱する蓄熱行程と、
エンジン始動時及び始動後所定時間、上記吸気加熱管路に吸気を流動させるとともに、加熱された吸気に燃料を噴射して燃料混合気を調製し、エンジン燃焼室へ導入する吸気加熱行程とを含み、
上記蓄熱器を、熱伝導性構造体の空隙に固体蓄熱物質が保持されているとともに通気性を有する蓄熱構造体を備えて構成し、
上記吸気加熱行程において、上記蓄熱構造体内に上記吸気を流動させることにより加熱が行われるように構成した、エンジン吸気加熱システム。
【請求項２】
エンジン始動時から少なくとも２０秒の間、吸気を３５℃以上に加熱する、請求項１に記載のエンジン吸気加熱システム。
【請求項３】
上記吸気加熱管路が、エンジン吸気管路におけるスロットルバルブの下流側から延出して、燃料噴射バルブの手前に到る吸気バイパス管路である、請求項１又は請求項２のいずれかに記載のエンジン吸気加熱システム。
【請求項４】
連続気孔を有する熱伝導性多孔質体に上記固体蓄熱物質を保持させて構成された蓄熱構造体を備える、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のエンジン吸気加熱システム。
【請求項５】
上記蓄熱構造体は、固体蓄熱物質を保持した蓄熱部と、上記吸気を流動させる熱交換部とを備え、
上記吸気は、上記熱交換部を流動させられることにより加熱される、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のエンジン吸気加熱システム。
【請求項６】
上記吸気加熱管路における上記蓄熱器の入口と出口に、上記吸気加熱行程において、上記吸気を吸気加熱管路に流動させる弁を設けた、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のエンジン吸気加熱システム。
【請求項７】
上記蓄熱行程は、定常運転時にエンジンを冷却する高温冷却液を上記蓄熱器に作用させることにより蓄熱が行われる、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のエンジン吸気システム。
【請求項８】
吸気を加熱するエンジン吸気加熱システムにおける蓄熱器であって、
熱伝導性構造体の空隙に固体蓄熱物質が保持されているとともに通気性を有する蓄熱構造体と、
熱源からの熱を、熱媒体を介して上記蓄熱構造体に蓄熱する蓄熱管路とを備え、
上記吸気は上記蓄熱構造体の内部を流動させられて加熱されるように構成されている、エンジン吸気加熱用蓄熱器。
【請求項９】
連続気孔を有する熱伝導性多孔質体に上記固体蓄熱物質を保持させて構成された上記蓄熱構造体を備える、請求項８に記載のエンジン吸気加熱用蓄熱器。
【請求項１０】
上記蓄熱構造体は、上記熱伝導性構造体に蓄熱物質を保持して構成される蓄熱部と、吸気を流動させる熱交換部とを備え、
上記吸気を、上記熱交換部に流動させることにより加熱する、請求項８又は請求項９のいずれか１項に記載のエンジン吸気加熱用蓄熱器。
【請求項１１】
上記固体蓄熱物質は、固体形状を保持したまま潜熱を蓄熱できる蓄熱物質である、請求項８から請求項１０のいずれか１項に記載のエンジン吸気加熱用蓄熱器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、エンジン吸気加熱システム及びこれに用いる蓄熱器に関する。詳しくは、燃料混合気を調製するための吸気を加熱するエンジン吸気加熱システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジン始動時には、エンジン燃焼室はもとより、吸気管路の壁面温度が低い。このため、インジェクタから噴射された燃料が完全に気化できず、燃料噴射装置近傍の吸気管路の壁面等に付着することが多い。したがって、燃焼室内へ導入される混合気はその分うすくなる。通常、出力を確保するために、始動時における混合気は、理論空燃比より濃く設定される。
【０００３】
一方、混合気を理論空燃比より濃く設定すると、未燃焼のハイドロカーボンが生じる。しかも、始動時には、排気を清浄化する触媒の温度が低いため、生じたハイドロカーボンを十分に除去できない。したがって、大量のハイドロカーボンが大気中に放出されることになる。たとえば、米国の自動車燃費試験に用いられる市街地走行モードＬＡ♯４で走行した場合において、始動から１０数秒間に放出される上記ハイドロカーボンは、上記走行モードにおける全排出量の約９５％に達するとのデータがある。（トライポロジスト52巻第９号（2007年発行）639-644頁  小林日出男  松谷隆司）
【０００４】
上記問題を緩和するため、これまでは暖機運転が行われてきた。エンジン等の暖機運転を行うことにより、エンジンブロックの温度を高め、燃料の燃焼効率を高めることができるとともに、オイル等の温度を上昇させて粘度を低下させ、駆動抵抗を減少させることができる。この結果、燃費の向上を期待することができるとともに、各部の摩耗等を減少させることができる。暖機運転を促進するため、蓄熱装置を備えた内燃機関が提供されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１３８８３３号
【０００６】
上記特許文献１に記載されている内燃機関では、機関運転中に加熱された機関冷却水を利用して蓄熱装置に排熱を蓄熱する。暖機運転時に上記蓄熱した熱を、上記機関冷却水を介して駆動装置のＡＴＦウォーマへ供給し、ＡＴＦ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｆｌｕｉｄ）を加熱できるように構成されている。
【０００７】
上記蓄熱装置を設けることにより、内燃機関の暖機運転を促進して、短時間にＡＴＦの温度を上昇させることができる。また、エンジンブロックの温度を高めることができるため、燃料の気化が促進されて燃費が向上するともに、排気ガスからの有害物質を低減させることも期待できる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１に記載された暖機運転において、保温された冷却水は専用の容器に蓄えられ、エンジンブロックの冷却用通路を通じてエンジンブロックを温めるように構成されている。このため、エンジンブロックが温まり、燃料混合気の燃焼条件を改善するまでに相当の時間がかかる。
【０００９】
一方、始動時におけるハイドロカーボンの排出を低減させるには、エンジン始動から少なくとも１０数秒以内に、エンジンブロックの温度を燃料の気化を促進させるまで上昇させる必要がある。このため、上記手法では、摩擦等を低減させて燃費を向上させる効果はある程度期待できるものの、始動時における排気ガス中のハイドロカーボンを低減させる効果は期待できない。
【００１０】
また、加熱した上記機関冷却水を一定量貯溜するための保温容器を設けなければならない。したがって、蓄熱装置が大型化し、車両によっては、設置スペースを確保するのが困難な場合がある。また、その分車両重量が増加するため、燃費の改善効果もあまり期待できない。
【００１１】
しかも、大量の機関冷却水を高温で長時間保持するのは困難である。このため、車両を長時間運転しない場合には、上記機関冷却水の温度が低下して、十分な暖機運転を行えない恐れもある。
【００１２】
さらに、エンジンブロック等を短時間で温めるには、大量の熱を、短時間に上記機関冷却水を介してＡＴＦ等に投入する必要がある。このため、蓄熱器や暖機部材の熱交換器に高い熱交換性能が求められる。熱交換性能を高めるには、大きな熱交換面積を確保し、あるいは、大きな流速で上記機関冷却水を循環させなければならない。ところが、大きな熱交換面積を確保すると装置が大型化する。一方、機関冷却水の循環速度を高めるには、大きなポンプが必要になり、さらに配管の水密性も高める必要が生じる。したがって、製造コストが増加する。
【００１３】
本願発明は、エンジン始動時及び直後の吸気を加熱することにより、燃料の燃焼条件を直接的に改善し、始動の際に排出される未燃焼ハイドロカーボン等を大幅に低減させることができるとともに、エンジンブロックやインジェクタ近傍の温度を迅速に高め、燃費を向上させることのできる吸気加熱システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本願の請求項１に記載した発明は、吸気を加熱して燃料混合気を調製するエンジン吸気加熱システムであって、吸気が流動させられる吸気加熱管路と、上記吸気加熱管路中に設けられて吸気を加熱する蓄熱器とを備え、定常運転時に上記蓄熱器に蓄熱する蓄熱行程と、エンジン始動時において、上記吸気加熱管路に吸気を流動させるとともに、加熱された吸気に燃料を噴射して燃料混合気を調製し、エンジン燃焼室へ導入する吸気加熱行程とを含み、上記蓄熱器を、熱伝導性構造体の空隙に固体蓄熱物質が保持されているとともに通気性を有する蓄熱構造体を備えて構成し、上記吸気加熱行程において、上記蓄熱構造体内に上記吸気を流動させることにより加熱が行われるように構成したものである。
【００１５】
本願発明では、燃料混合気を調製する吸気を流動させるための吸気加熱管路を設け、この吸気加熱管路に蓄熱器を設けて、吸気を直接加熱するように構成している。上記加熱された吸気に、インジェクタから燃料が噴射されて混合気が調製され、この燃料混合気が燃焼室に導入される。
【００１６】
上記吸気を加熱することにより、上記インジェクタから噴射された燃料を確実に気化させることができる。このため、一部の燃料がインジェクタ近傍の壁面等に付着することはなくなる。したがって、エンジン始動時においても、噴射した燃料を完全に燃焼させることが可能となる。この結果、低温始動時における不完全燃焼や燃費の低下を防止することができる。また、未燃焼ハイドロカーボン等の不完全燃焼による有害物質の発生を大幅に低減させることも可能となる。
【００１７】
また、エンジン始動時における混合気の濃度を高める必要がなくなり、燃料を完全燃焼させることが可能となる。したがって、燃費の向上を図ることもできる。
【００１８】
上記蓄熱行程は、定常運転時、すなわち、エンジン等が所定温度以上の状態で運転されている場合に、車両内の熱源で発生した熱を上記蓄熱器に蓄熱することにより行われる。車両内の熱源は特に限定されることはない。たとえば、上記熱源として車両の駆動部を採用し、この駆動部を冷却する熱媒体を介して、上記蓄熱器に熱が蓄熱されるように構成することができる。内燃機関を駆動源とする車両においては、上記エンジンやトランスミッション等から出る排熱を、熱源として利用できるとともに、上記部材を冷却する熱媒体を介して蓄熱器に蓄熱することができる。たとえば、請求項７に記載した発明のように、上記蓄熱行程を、定常運転時にエンジンを冷却する高温冷却液を上記蓄熱器に作用させることにより蓄熱を行うように構成できる。
【００１９】
上記蓄熱器における蓄熱温度も特に限定されることはない。吸気の流動量によって異なるが、燃料を気化するのに必要な温度まで吸気を加熱するため、蓄熱器内の温度が４０℃以上になるように蓄熱するのが好ましい。
【００２０】
請求項２に記載した発明のように、エンジン始動時から少なくとも２０秒の間、吸気を３５℃以上に加熱するように構成するのが好ましい。ガソリンエンジンの場合、燃料の分留温度が３５℃〜２００℃であるため、吸気温度を３５℃以上に設定することにより、エンジン始動時及びその直後において、噴射された燃料を確実に気化させることができる。これにより、未燃焼ハイドロカーボン等の排出を大幅に減少させることができる。また、インジェクタ近傍の管路を温める効果も期待できるため、燃料の気化がさらに促進される。なお、燃料混合気の温度が高いと密度が低下して出力が低下する。このため、少なくとも、エンジンブロック等の温度が上昇した後は、吸気の加熱を行わないように構成される。
【００２１】
上記エンジンの吸気量は、エンジン燃焼室の容量及び回転速度によって異なるが、たとえば、排気量１５００ｃｃのガソリンエンジン車では、始動時には、約１３００ｒｐｍで４５０Ｌ／ｍｉｎの空気がエンジン燃焼室内へ導入される。このため、大量の熱を短時間に上記吸気に作用させなければならない。
【００２２】
本願発明では、短時間に大量の吸気を加熱するために、上記蓄熱器を、熱伝導性構造体の空隙に固体蓄熱物質を保持して構成されているとともに通気性を有する蓄熱構造体を備え、上記吸気を上記蓄熱構造体の内部を流動させることにより加熱する。すなわち、本願発明では、吸気を上記蓄熱構造体内に直接通過させることにより、上記蓄熱器に蓄熱された熱を吸気に移動させるよう構成している。これにより、非常に大きな熱交換面積を確保できる。
【００２３】
上記蓄熱構造体として、例えば、多孔質体構造体、ハニカム構造体、複数のフィン構造体等の熱伝導性構造体の空隙に固体蓄熱物質を保持させた蓄熱構造体を採用できる。
【００２４】
上記熱伝導性構造体は、上記固体蓄熱物質に比べて、熱伝導率が高い。これら熱伝導性構造体を一体的に構成することにより、蓄熱物質だけの場合に比べて蓄熱構造体内部の熱伝導率は格段に大きくなる。したがって、蓄熱時や放熱時において、蓄熱構造体内部の熱移動が格段に速くなり、蓄熱構造体内部の温度差も小さくなる。しかも、本願発明では、上記蓄熱構造体を、通気性を有するように構成することにより、上記吸気と蓄熱構造体との間で直接熱交換させる。すなわち、吸気が流動するパイプ等を介することなく、蓄熱構造体との間で熱交換を行わせる。これにより、短時間に大量の熱をエンジン吸気に放熱することが可能となり、エンジンに導入される大量の吸気を加熱することが可能となった。
【００２５】
上記吸気加熱管路の構成は特に限定されることはない。独立して外気から吸気を取り入れるように構成した吸気加熱管路を採用することもできるし、従来のエンジン吸気管路の一部を利用して吸気加熱管路を構成することもできる。例えば、請求項３に記載した発明のように、上記吸気加熱管路を、エンジン吸気管路におけるスロットルバルブの下流側から延出して、インジェクタの手前に到る吸気バイパス管路として構成することができる。この構成を採用することにより、従来の吸気管路の一部を利用して吸気加熱管路を設けることができる。
【００２６】
請求項４に記載した発明のように、蓄熱構造体を、連続気孔を有する熱伝導性多孔質体に上記固体蓄熱物質を保持させて構成することができる。
【００２７】
上記構成における蓄熱構造体は、上記固体蓄熱物質を一部に保持させることにより、蓄熱構造体自体を、連続気孔を有する多孔質状に形成し、この連続気孔内に吸気を流動させるように構成することができる。また、蓄熱物質を多孔質体の全体に充填して、他の部分に吸気を流動させる構造を設けて構成することもできる。これら構成によって、蓄熱構造体の内部において吸気を流動させ、上記蓄熱構造体と上記吸気との間で熱交換させることが可能となる。これにより、上記吸気と蓄熱構造体とを、非常に大きな熱交換面を介して、しかも直接熱交換させることが可能となり、短時間に大量の熱を交換することが可能となる。また、空気は粘度が低いため、蓄熱構造体内部の連続気孔中を流動する場合の抵抗も小さく、蓄熱構造体の内部に大量の吸気を流動させることが可能となる。
【００２８】
通気性を備えるとともに、上記固体蓄熱物質を保持できれば、種々の熱伝導性多孔質体を採用できる。たとえば、銅、ニッケルやクロム合金等の金属多孔質体を採用できる。これら金属多孔質体は、固体蓄熱物質に比べて熱伝導率が高く、蓄熱構造体内部において熱移動が迅速に行われる。
【００２９】
上記金属多孔質体の形態及び製造手法も特に限定されることはない。たとえば、発泡により内部に連続気孔を形成した金属多孔質体を採用できる。また、特許第２６８６００号公報に記載されているような、３次元網状構造を備える金属多孔質体の空隙部に固体蓄熱物質を保持させることにより、蓄熱構造体を形成することができる。
【００３０】
上記多孔質体として、７０％以上の空隙率を備えるものを採用するのが好ましい。さらに、９０％以上の空隙率を備えるものを採用するのがより好ましい。空隙率が大きくなるほど、上記多孔質体に保持させることができる固体蓄熱物質の量が増加し、蓄熱構造体の熱容量が大きくなる。また、吸気が通過する際の流動抵抗を小さくすることができる。
【００３１】
必要な通気性を確保できれば、上記熱伝導性多孔質体における上記固体蓄熱物質の保持量や保持形態も特に限定されることはない。たとえば、上記熱伝導性多孔質体の上記空隙の全表面に上記蓄熱物質を積層保持させて蓄熱構造体を構成することができる。この場合、多孔質体の全表面が蓄熱物質で覆われた構造を備えるため、熱容量の大きい蓄熱構造体を構成できる。
【００３２】
固体蓄熱物質を保持させた状態での蓄熱構造体の空隙率は、必要な熱容量、吸気の流動速度等によって設定することができる。エンジン吸気を加熱する場合、蓄熱構造体の空隙率を５０％以下に設定するのが好ましい。これにより、熱容量及び通気性を確保しながら、放熱効果を実現することができる。一方、熱伝導性構造体として多孔質体を採用する場合、空隙率を５％以上に設定するのが好ましい。５％以下の場合、吸気である空気のへの熱交換がしにくくなり、蓄熱器を通過した温風の温度上昇が低くなり目標レベルを達成しづらくなる。
【００３３】
上記固体蓄熱物質を、熱伝導性構造体の内部に均一に分散保持させることができる。また、熱伝導性構造体の所定の領域において蓄熱物質を保持させる一方、蓄熱物質を保持させない部分あるいは、保持量を小さく設定して空隙率を大きく設定した部分を設けて蓄熱構造体を構成できる。たとえば、請求項５に記載した発明のように、上記蓄熱構造体を、固体蓄熱物質を保持した蓄熱部と、上記吸気を流動させる熱交換部とを備えて構成できる。上記吸気は、上記熱交換部を流動させられることにより加熱される。この構成を採用することにより、蓄熱部に大量の熱を蓄熱できるとともに、熱伝導率の大きな上記熱伝導性構造体の空隙表面を利用して吸気と熱交換させることができる。
【００３４】
たとえば、一体の熱伝導性構造体の所定の領域に蓄熱物質を充填する手法として、重力や遠心力を利用した手法を採用できる。なお、上記蓄熱部は、通気性がない程度に固体蓄熱物質を充填することもできるし、通気性を持たせて構成することもできる。また、所要の通気性を確保できれば、上記熱交換部に上記固体蓄熱物質を保持させることもできる。
【００３５】
上記固体蓄熱物質として、固体形状を保持したまま潜熱を蓄熱できる樹脂蓄熱物質を採用するのが好ましい。たとえば、三菱電線工業株式会社製の潜熱蓄熱構造体（登録商標ＭＨＳシリーズ）を採用することができる。
【００３６】
上記潜熱蓄熱構造体は、蓄熱温度３２℃〜８０℃の所定の温度において、蓄熱することが可能であり、固体のままで１７５〜１８０ｋＪ／ｋｇの潜熱量を有している。このため、少ないスペースに、大量の熱を蓄熱することが可能となる。
【００３７】
請求項６に記載した発明は、上記吸気加熱管路における上記蓄熱器の入口側と出口側に、上記吸気を吸気加熱管路に流動させる弁を設けたものである。
【００３８】
本願発明では、エンジンの始動時に吸気を加熱し、定常運転時には、駆動部等から排熱を回収して上記蓄熱器に蓄熱する必要がある。このため、始動時以外、すなわち、吸気を加熱しない場合には、本願発明に係る吸気加熱管路を従来の吸気管路から分離する必要がある。上記吸気加熱管路における上記蓄熱器の入口側と出口側に上記弁を設けることにより、蓄熱器を設けた吸気加熱管路を分離できる。また、蓄熱器に蓄熱した熱が吸気加熱管路を介して逃げないように保温することができる。さらに、蓄熱器の入り口と吸気管路の出口に弁を設けて、蓄熱器から上記弁の間の加熱管路を保温するのが好ましい。また、吸気加熱行程において、上記吸気加熱管路が合流する吸気管路の上流側に、従来の吸気管路から冷たい吸気が入らないように閉止弁を設けるのが好ましい。
【００３９】
請求項８に記載した発明は、エンジン吸気加熱システムにおける蓄熱器であって、熱伝導性構造体の空隙に固体蓄熱物質が保持されているとともに通気性を有する蓄熱構造体と、熱源からの熱を、熱媒体を介して上記蓄熱構造体に蓄熱する蓄熱管路とを備え、上記吸気は上記蓄熱構造体の内部を流動させられて加熱されるように構成したものである。
【００４０】
請求項９に記載した発明は、上記蓄熱構造体を、連続気孔を有する熱伝導性多孔質体に上記固体蓄熱物質を保持させて構成したものである。
【００４１】
請求項１０に記載した発明は、上記蓄熱構造体を、上記熱伝導性構造体に蓄熱物質を保持して構成される蓄熱部と、吸気を流動させる熱交換部とを備えて構成し、上記吸気を、上記熱交換部に流動させることにより加熱を行うように構成したものである。
【００４２】
請求項１１に記載した発明は、上記固体蓄熱物質として、固体形状を保持したまま潜熱を蓄熱できる蓄熱物質を採用したものである。
【発明の効果】
【００４３】
エンジン始動時及び直後の吸気を加熱することにより、燃料の燃焼条件を直接的に改善し、始動の際に排出される未燃焼ハイドロカーボン等の有害物質の排出を大幅に低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本願発明に係るエンジン吸気加熱システムの構成を示す概略回路図である。
【図２】エンジン近傍の吸気加熱管路の構成を示す図である。
【図３】蓄熱器の構造を示す断面図である。
【図４】図３におけるＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。
【図５】蓄熱構造体を製造する手法を示す説明図である。
【図６】蓄熱構造体の内部構造の一例を模式的に示す断面図である。
【図７】第２の実施形態に係る蓄熱器の構造を示す軸断面図である。
【図８】図７におけるVIII−VIII線に沿う断面図である。
【図９】第３の実施形態に係る蓄熱器の構造を示す軸断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下、本願発明の実施形態を図に基づいて具体的に説明する。
図１から図６に、第１の実施形態に係るエンジン吸気加熱システムの一例を示す。第１の実施形態は、本願発明を、ガソリンエンジンを備える自動車の吸気システムに適用したものである。
【００４６】
図１に、システム構成の概略図を示す。本実施形態に係る車両は、駆動装置として、エンジン２を備える。図２に示すように、エンジン２の内部には、ピストン２ａが往復動させられる燃焼室３が設けられている。上記燃焼室３に、吸気バルブ３ａを備える吸気ポートから燃料混合気が導入される一方、排気バルブ３ｂを備える排気ポートから排気ガスが排出されるように構成されている。
【００４７】
図２に示すように、上記燃料混合気は、エアフィルター９から取り入れた吸気を、エンジンの吸気ポートに至る吸気管路３１に流動させる。エンジン２の吸気ポート近傍には、インジェクタ３３が設けられており、上記吸気に燃料を噴射して燃料混合器を調製し、上記燃焼室へ導入するように構成されている。上記吸気管路３１には、スロットルバルブ３４が設けられており、エンジン出力等に応じて吸気量を調節できるように構成されている。
【００４８】
本実施形態に係る自動車は、上記エンジン２を冷却するためのラジエータ４を備え、上記エンジン２と上記ラジエータ４とを循環するように、冷却配管５が設けられている。ポンプ６によって、冷却液が上記冷却配管５内を循環させられることにより、上記エンジン２で生じた排熱を、冷却液を介して上記ラジエータ４に移動させて放熱させるように構成されている。通常、上記冷却液として不凍液（ＬＬＣ）が用いられる。
【００４９】
本実施形態に係る上記エンジン吸気加熱システム１は、上記蓄熱器７と、蓄熱用のバイパス管路１８と、上記スロットルバルブ３４の下流側に接続された吸気導入管路８ａ及びインジェクタ３３の上流側に接続された加熱吸気供給管路８ｂからなる加熱吸気管路８と、上記蓄熱器７を挟むようにして上記吸気導入管路８ａと上記加熱吸気供給管路８ｂとに設けられた弁１５，１４とを備えて構成されている。本実施形態では、図１及び図２に示すように、上記加熱吸気管路８を、従来の吸気管路３１のバイパス管路として設けている。
【００５０】
本実施形態に係るエンジン吸気加熱システム１においては、上記エンジン２とラジエータ４との間の冷却配管から、３方弁１２，１３を介して蓄熱器７内を貫通する蓄熱用バイパス管路１８を設け、上記エンジン２で発生した排熱を、上記冷却液を介して上記蓄熱器７に蓄熱できるように構成している。
【００５１】
定常運転時における上記冷却液の温度は１１０℃〜１２０℃であり、本実施形態では、上記高温の冷却液を利用して上記蓄熱器７に蓄熱を行う。すなわち、冷却液が上記蓄熱器７に向かうように一方の３方弁１２を操作するとともに、蓄熱器７から排出される冷却液をラジエータ４側に向かうように他方の３方弁１３を操作することにより、上記蓄熱器７内に高温の冷却液が流動させられる。これにより、蓄熱行程が行われる。
【００５２】
蓄熱行程及を行わない時には、冷却液が上記エンジン２からラジエータ４に流れるように、上記３方弁１２，１３を操作する。これにより、従来と同様にエンジン２から排出された冷却液は、上記ラジエータ４に流入して上記冷却配管５を循環させられ、上記エンジン２を冷却する。吸気過熱行程を行わない時には、蓄熱器の両側に設けた上記弁１４，１５を閉じることにより、吸気加熱管路８に吸気が導入されるのを阻止し、蓄熱器内を保温できるように構成している。なお、本実施形態では、弁１４を、加熱吸気供給管路８ｂの吸気管路３１側に設け、上記弁１５と弁１４の間の蓄熱器を含む管路を保温するように構成している。これにより、エンジン始動直後から加熱した吸気を供給できる。
【００５３】
図２に示すように、本実施形態では、上記吸気管路３１における上記インジェクタ３３の上流側に吸気加熱管路３１を閉止する弁３５を設けている。上記弁３５を設けることにより、吸気加熱行程において、吸気管路３１側から冷たい吸気が供給されないように構成している。
【００５４】
図３及び図４に、上記蓄熱器７の軸断面図を示す。上記蓄熱器７は、断熱性を有する円筒状の蓄熱容器１６内に蓄熱構造体１７を充填するとともに、銅等の熱伝導率の高い金属材料から形成されたパイプを貫通させて、入熱用のバイパス管路１８を設けている。上記バイパス管路１８には、エンジン２を冷却する上記冷却液が流動させられる。本実施形態では、上記パイプ１８を略Ｕ字状に曲折して形成することにより、導入側管路１８ａから冷却液を蓄熱器７内に導入するとともに、排出側管路１８ｂから排出できるように構成している。これにより、上記ポンプ６で冷却配管５を循環流動させられる冷却液が上記蓄熱器内７に導入させられ、エンジン２で発生した排熱を蓄熱できるように構成している。
【００５５】
本実施形態における上記蓄熱構造体１７は、連続気孔を備える熱伝導性の多孔質体１９の空隙に、固体状の樹脂蓄熱物質を保持させて構成されている。
【００５６】
図５に、上記記蓄熱構造体１７を構成する熱伝導性多孔質体１９の外観形態及び、蓄熱構造体の製造手法の一例を示す。本実施形態では、樹脂蓄熱物質２０を、容器２１内で融点以上に加熱して溶融させ、これに上記金属多孔質体１９を浸漬する。これにより、溶融状態にある上記樹脂蓄熱物質２０が、上記金属多孔質体１９の空隙部に充填される。
【００５７】
上記金属多孔質体１９は、通気性を有する３次元網状構造を備える。本実施形態では、空隙率が９０％以上のニッケル金属多孔質体を採用している。
【００５８】
上記金属多孔質体１９は、種々の手法を用いて製造されたものを採用することができる。たとえば、発泡させた多孔質樹脂支持体に、無電解メッキ、真空蒸着、スパッタリング等の方法で、カーボンや金属を被覆して導電性を付与する。この導電性を付与した多孔質樹脂支持体をメッキ浴中で給電ブスバーを兼ねた回転軸の周りに回転する陰極体の表面に密着させることにより、陽極から金属を上記多孔質体に電気メッキする。その後、上記多孔質樹脂支持体を除去することにより、図５に示すような、三角柱状の骨格が３次元に連なった、連続気孔をもつ金属多孔質体１９を得ることができる。
【００５９】
本実施形態に係る蓄熱物質２０は、パラフィン、樹脂、その他添加材を含んで構成される固体状の樹脂蓄熱物質である。蓄熱温度は、約３０〜８０℃であり、約２．５ｋＪ／ｋｇ・Ｋの比熱、０．２１〜０．２２Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有している。また、固体形状を保持したまま、１７５〜１８０ｋＪ／ｋｇの潜熱量を有している。また、融点は１００℃以上である。たとえば、三菱電線工業に係る潜熱蓄熱構造体（登録商標ＭＨＳシリーズ）を採用することができる。
【００６０】
図６に、上記蓄熱構造体１７の断面を模式的に示す。この図に示すように、金属多孔質体１９の空隙２２に樹脂蓄熱物質２０が充填保持されている。
【００６１】
本実施形態では、金属多孔質体１９の上記空隙内の表面に、上記樹脂蓄熱物質２０が均等に積層されて保持されるとともに、蓄熱構造体１７の全体が通気性を備えるように上記浸漬作業が行われる。本実施形態では、上記金属多孔質体１９の空隙率が２０〜３０％となるように、上記蓄熱樹脂２０が充填される。
【００６２】
本実施形態に係る上記蓄熱構造体１７は、一体的につながる３次元編目状の金属多孔質体１９の空隙２２に、樹脂蓄熱物質２０を保持させた形態を備える。また、上記金属多孔質体１９の熱伝導率は、上記樹脂蓄熱物質２０より大きい。このため、上記蓄熱構造体１７の内部では、主として上記金属多孔質体１９を介して熱が移動させられ、上記蓄熱構造体１７内部における熱移動の速度が速い。したがって、上記バイパス管路１８から入熱された熱を、上記蓄熱構造体１７の全域に移動させることができる。上記蓄熱構造体１７を採用することにより、短時間に大量の熱を上記バイパス管路１８から蓄熱できる。
【００６３】
また、上記蓄熱構造体１７は、上記金属多孔質体１９の空隙表面に、通気性を確保した形態で上記樹脂蓄熱物質２０が保持されている。このため、図６の矢印で示すように、連続した空隙２２に、吸気を流動させることができる。したがって、上記蓄熱構造体１７の内部に吸気を通過させることにより、上記樹脂蓄熱物質２０や金属多孔質体１９と、上記吸気との間で、直接熱交換を行わせることができる。
【００６４】
しかも、上記蓄熱構造体１７の内部表面積は極めて大きい。したがって、吸気と蓄熱構造体１７とを非常に大きな熱交換面を介して熱交換させることが可能となる。これにより、上記空隙２２を通過する吸気に短時間に大量の熱を移動させ、エンジンの吸気ポートに加熱された吸気を供給して燃料混合気を調製できる。また、吸気は空気であることから上記蓄熱構造体１７の内部を流動する抵抗も小さくなり、大量の吸気を蓄熱器７内に導入することができる。
【００６５】
また、上記蓄熱構造体１７の金属多孔質体１９は、上記バイパス管路１８の外周に接合されている。これにより、冷却液から上記固体蓄熱物質２０に熱を迅速に移動させて蓄熱を行うことができる。上記金属多孔質体１９を上記バイパス管路１８に接合する方法は特に限定されることはなく、圧接の外、ロウ付けや溶接等を利用して接合することができる。
【００６６】
上記構成の吸気加熱回路８と上記蓄熱器７とを備える吸気加熱システム１を採用することにより、上記インジェクタ３３から噴射された燃料を確実に気化させることができる。このため、一部の燃料がインジェクタ近傍の壁面等に付着することはなくなる。したがって、エンジン始動時においても、噴射した燃料を完全に燃焼させることが可能となる。
【００６７】
エンジン始動時から少なくとも２０秒の間、吸気を３５℃以上に加熱するように設定される。これにより、エンジン始動時及びその直後において、噴射された燃料を確実に気化させることができる。これにより、未燃焼ハイドロカーボン等の排出を大幅に減少させることができる。また、インジェクタ近傍の吸気管路を温める効果も期待できるため、燃料の気化がさらに促進される。なお、始動時以外は、燃料混合気の温度が高いと密度が低下して出力が低下する。このため、少なくとも、エンジンブロック等の温度が上昇した後は、吸気の加熱を行わないように構成される。
【００６８】
本実施形態に係る吸気加熱システムを採用することにより、エンジン始動時における混合気の濃度を高める必要がなくなる。しかも、ガソリンエンジンの場合、分留温度が３５℃〜２００℃であるため、吸気温度を３５℃以上に設定することにより、エンジン始動時及びその直後において、噴射された燃料を確実に気化させることができる。これにより、燃料を完全燃焼させることが可能となり、未燃焼ハイドロカーボンや窒素酸化物の排出を大幅に減少させることができる。また、インジェクタ近傍の管路を温める効果も期待できるため、燃料の気化がさらに促進される。
【００６９】
しかも、本実施形態に係る上記蓄熱器は、小型軽量であり、装置重量が大きく増加することもない。また、車両始動時の燃焼条件が良くなるため、燃費の向上を図ることもできる。
【００７０】
図７及び図８に、第２の実施形態に係る蓄熱器１０７を示す。
【００７１】
蓄熱器１０７は、第１の実施形態と同様に、断熱性を有する円筒状の蓄熱容器１１６内に蓄熱構造体１１７を充填するとともに、銅等の熱伝導率の高い材料から形成された金属パイプからなる入熱用の管路１１８を、上記蓄熱容器１１６の軸方向に貫通させて構成されている。上記入熱用管路１１８は、第１の実施形態と同様に上述した蓄熱用のバイパス管路を構成し、両側部に導入側管路１１８ａ及び排出側管路１１８ｂが設けられている。また、上記入熱用管路１１８は、第１の実施形態と同様に、上述した冷却管路５に３方弁を介して接続される。
【００７２】
本実施形態における上記蓄熱構造体１１７は、連続気孔を備える熱伝導性の多孔質体の空隙に、固体状の樹脂蓄熱物質を充填して形成された蓄熱部１２７と、これら蓄熱部１２７を保持する板状の熱伝導部材１０６と、吸気が流動させられる熱交換部１１１とを備えて構成される。なお、上記蓄熱構造体１１７の製造手法は、第１の実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００７３】
上記熱伝導部材１０６は、図８に示すように、上記入熱用管路１１８の外周部の母線に沿って放射状に延びるように複数設けられている。また、上記熱伝導部材１０６は、上記蓄熱容器１１６の内周壁まで延出させられており、上記入熱用管路１１８の外周部と上記蓄熱容器１１６の内周壁との間に形成された円筒状の空間を、８つの領域に区画している。上記熱伝導部材１０６は、銅等の高い熱伝導率を備える材料から形成されている。
【００７４】
上記熱伝導部材１０６によって区画された８つの領域のうち、一つおきに形成された領域に、上記樹脂蓄熱物質を充填した多孔質体が充填されて蓄熱部１２７が形成されている。上記蓄熱容器１１６の左右の軸方向壁には、吸気を導入する導入口１２２と排出口１２３とがそれぞれ設けられている。上記樹脂蓄熱物質を充填した多孔質体が充填されていない領域は、吸気が流れる熱交換部１１１としている。上記熱交換部に、上記導入口１２２を介して、吸気が導入されるとともに、上記排出口１２３から加熱された吸気が排出される。
【００７５】
上記蓄熱構造体１１７と上記蓄熱容器１１６の軸方向壁の間には、上記各熱交換部１１１に連通する通気用の隙間１１２及び１１３が設けられており、上記導入口１２２から導入された吸気は、導入口側の隙間１１２を介して、上記４つの熱交換部１１１に分かれて軸方向に流動させられる。また、上記排出口側の隙間１１３を介して熱交換を終えた吸気が集合させられ、上記排出口１２３から加熱吸気供給管路８ｂへ排出される。
【００７６】
上記蓄熱部１２７と上記熱交換部１１１には、上記熱伝導部材１０６から延出するフィン状の熱交換部材１１４，１１５がそれぞれ延出形成されている。上記熱交換部材１１４，１１５も、上記熱伝導部材１０６と同様に、銅、アルミ、アルミ合金等の高い熱伝導率を備える板状部材から形成されている。
【００７７】
上記構成の蓄熱器１０７においては、蓄熱器内を流れる冷却液から上記入熱用管路１１８の周壁を介して、エンジン２からの排熱が蓄熱器１０７内に入熱される。上記入熱用管路１１８の周壁において交換された熱は、上記熱伝導部材１０６を介して、上記蓄熱容器１１６の内部を半径方向外方に移動させられる。上記熱伝導部材１０６は、中間部に樹脂蓄熱物質を充填した多孔質体が充填されているため、上記熱伝導部材１０６の壁部及び上記多孔質体を介して上記樹脂蓄熱物質に熱が蓄熱される。さらに、本実施形態では、熱伝導部材１０６から上記樹脂蓄熱物質を充填した多孔質体の内部に入り混む熱交換部材１１４が延出形成されている。したがって、上記熱伝導部材１０６及び上記バイパス管路１１８から離れた部材に充填された上記蓄熱物質にも効率よく熱を移動させて蓄熱させることができる。
【００７８】
また、上記構成を採用することにより、上記入熱用管路１１８から入った熱が、上記蓄熱構造体１１７の内部まで迅速に移動させられる。このため、短時間に大量の熱を、上記蓄熱構造体１１７に蓄熱することが可能となる。
【００７９】
上記熱交換部１１１にも、上記熱伝導部材１０６の表面から、フィン状の熱交換部材１１５が延出させられている。本実施形態に係る上記熱交換部材１１５は、吸気の流れに沿うように配置されている。なお、熱交換効率を高めるため、吸気が流動させられる空間をラジエータのように放熱フィンを多数配列した形態に形成することにより、吸気と熱交換部材１１５との接触量を増加させて、熱交換量を増大させることもできる。
【００８０】
上記蓄熱部側の熱交換部材１１４と上記熱伝導部材１０６と上記熱交換部側の熱交換部材１１５は、熱伝導性の高い金属で形成されているため、上記蓄熱物質から上記熱交換部１１１まで、蓄積した熱を迅速に移動させることができる。したがって、第１の実施形態と同様に、上記熱交換部１１１において、吸気に大量の熱を短時間で放熱することができる。
【００８１】
図９に、第３の実施形態に係る蓄熱器２０７を示す。
【００８２】
この実施形態においては、第１の実施形態と同様の金属多孔質体２１９に、樹脂蓄熱物質２２０を保持させた蓄熱部２１７ａと、樹脂蓄熱物質２２０を保持させない通気部２１７ｂとを設けて蓄熱構造体２１７を構成し、これを断熱性のある容器２１６内に収容して蓄熱器２０７を構成している。上記蓄熱部２１７ａは、金属多孔質体２１９の空隙部の全体に蓄熱樹脂２２０を充填して構成されており、通気性を有していない。一方、上記通気部２１７ｂは、上記樹脂蓄熱物質２２０が充填されていないため、高い通気性能を備える。上記蓄熱部２１７ａ及び上記通気部２１７ｂは、第１の実施形態に係る図５において、樹脂蓄熱物質２２０を溶融保持した容器２１に、金属多孔質体２１９を所定の深さまで浸漬することにより、容易に製作することができる。
【００８３】
上記蓄熱器２０７の一方の軸方向壁に吸気を導入する導入口２２２が設けられるとともに、他方の軸方向壁に加熱した吸気を排出する排出口２２３が設けられている。上記導入口２２２から、蓄熱器２０７内に吸気を導入すると、上記通気部２１７ｂ内を流動して熱交換が行われる。
【００８４】
上記通気部２１７ｂは、樹脂蓄熱物質が充填されていないため通気性が高い。したがって、空気の流動抵抗が少なく、大量の空気を流動させることができる。
【００８５】
一方、上記蓄熱部２１７ａは、金属多孔質体２１９の空隙部に大量の樹脂蓄熱物質２２０を保持させている。このため、通気性はないものの熱容量を大きく設定することができる。上記蓄熱部２１７ａと、上記通気部２１７ｂとは、熱伝導率の高い金属多孔質体２１９を介して一体的に形成されている。このため、上記蓄熱部２１７ａから上記通気部２１７ｂに、上記金属多孔質体２１９を介して、熱が迅速に移動させられる。したがって、上記通気部２１７ｂを流動する吸気に、効率よく熱を移動させることができる。
【００８６】
上記蓄熱部２１７ａと上記通気部２１７ｂの形態は、上記実施形態に限定されることはない。本実施形態では、重力を利用して、上記蓄熱部２１７ａと上記通気部２１７ｂとを設けたが、遠心力等を利用することにより、金属多孔質体２１９の所望部材に蓄熱樹脂を充填して蓄熱部を形成することができる。
【００８７】
さらに、本実施形態では、上記蓄熱部２１７ａを貫通するように、上述した入熱用管路２１８を設けるとともに、上記蓄熱部２１７ａに埋め込み状に熱伝導部材２１２を設けている。
【００８８】
上記熱伝導部材２１２は、銅等の熱伝導性の高い金属板から形成されている。また、複数の上記熱伝導部材２１２が、上記入熱用管路２１８の軸方向に略平行に配列されるとともに、上記入熱用管路２１８の外周部に接合されている。
【００８９】
上記構成を採用することにより、上記入熱用管路２１８内を流れる入熱側の冷却液から、上記熱伝導部材２１２に熱が入熱される。上記熱伝導部材２１２には、上記金属多孔質体２１９が接合されている。このため、上記蓄熱部２１７ａの隅々に迅速に熱を移動させることができるとともに、上記金属多孔質体２１９に保持された樹脂蓄熱物質２２０に迅速に蓄熱することができる。したがって、蓄熱効率を大幅に高めることができる。
【００９０】
一方、上記通気部２１７ｂも、熱伝導性及び通気性の高い金属多孔質体から形成されているため、吸気に大量の熱を短時間で移動させることができる。
【００９１】
図１及び図２に示すように、本実施形態では、上記各弁１２，１３，１４，１５，３５，ポンプＰ，温度計測装置Ｔ１，Ｔ２を、図示しない蓄熱器コントロールユニットを用いて制御するように構成している。
【００９２】
上記温度計測装置Ｔ１によって、エンジン２から排出される冷却液の温度を計測し、所定温度以上になった場合に蓄熱行程を行う。一方、上記温度計測装置Ｔ２によって、蓄熱器７における蓄熱温度を測定し、所定の蓄熱温度に達した後は上記弁１２、１３を操作することにより、蓄熱行程を終了する。
【００９３】
また、エンジン始動時には、上記弁１４及び１５を開けて外気を吸気加熱管路８に導入し、蓄熱器７で加熱された吸気を上記インジェクタ近傍の吸気管路３１に供給するように構成している。また、本実施形態では、上記インジェクタの上流側に弁３５を設け、吸気加熱行程において弁３５を閉じることにより、低温の吸気が入り込まないように構成している。
【００９４】
さらに、本実施形態では、長時間のドアロック状態からドアが開かれた場合、あるいは、アクセサリーやイグニッションのポジションにキーがセットされた場合に、エアフローセンサー内に設置した温度センサー３２によって吸気管３１の雰囲気温度を計測し、吸気を加熱するかどうかの判断を行うように設定している。これにより、始動直後から所定温度に加熱された吸気を供給することができる。
【００９５】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
吸気を加熱することにより燃料の気化を促進し、始動の際における未燃焼のハイドロカーボン等の排出を大幅に低減させることができる。
【符号の説明】
【００９７】
１  吸気加熱システム
２  エンジン
７  蓄熱器
８  吸気加熱管路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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