(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を燃焼する燃焼室と、
この燃焼室と機関関連要素との間を循環する熱媒体と、
燃焼源から排出された燃焼ガスを燃焼式ヒータの外部に向けて流す燃焼ガス通路とこの燃焼ガス通路周りに形成されて前記燃焼式ヒータに対して熱媒体を出入りさせる熱媒体通路とを有し、燃焼ガスと熱媒体との間で熱交換を行う熱交換部と、
前記燃焼ガス通路内に前記燃焼式ヒータ外部からの空気を強制的に流入させることで前記熱交換部での熱交換率を低下させる熱交換率低下手段とを備える燃焼式ヒータを有する内燃機関。
【請求項２】
前記熱交換率低下手段によって熱交換率の低い状態で前記熱媒体との間で熱交換された燃焼ガスを内燃機関の排気通路のうち当該排気通路に設けた排気浄化装置の設置個所よりも上流側にまたは内燃機関の吸気通路側に向けて選択的に排出する燃焼ガス排出通路を有することを特徴とする請求項１記載の燃焼式ヒータを有する内燃機関。
【請求項３】
前記燃焼ガス排出通路は前記排気通路および前記吸気通路に二股状に分岐して延びる通路であって、この通路の分岐点には燃焼ガスの流れの経路を前記排気通路側または前記吸気通路側に切り換える燃焼ガス経路切換手段を有することを特徴とする請求項２記載の燃焼式ヒータを有する内燃機関。
【請求項４】
前記熱交換率低下手段は、前記燃焼室のうち前記燃焼ガス通路の一端に形成されて前記燃焼室外部と通じる通し穴およびこの通し穴を介して前記燃焼ガス通路内に前記燃焼式ヒータ外部からの空気を強制的に流入させるファンを備えてなることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃焼式ヒータを有する内燃機関。
【請求項５】
前記ファンの設置箇所は、燃焼式ヒータに流れ込む空気が燃料の燃焼に供された後、燃焼ガスとなって流れる方向において、上流側端または下流側端であることを特徴とする請求項４記載の燃焼式ヒータを有する内燃機関。
【請求項６】
新気を供給する新気導入通路と、前記燃焼室のうち前記新気導入通路設置側に前記通し穴とを形成し、この通し穴形成側に前記ファンを有することを特徴とする請求項４または５記載の燃焼式ヒータを有する内燃機関。
【請求項７】
前記通し穴は、前記ファンの回転によって加圧される空気の流通量を制御する制御弁を有することを特徴とする請求項６記載の燃焼式ヒータを有する内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼式ヒータを有する内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等に搭載される内燃機関、特にディーゼルエンジンのように発熱量が本来少ない希薄燃焼式内燃機関は、冷寒時における室内用暖房装置の性能向上や内燃機関の暖機促進等を目的として燃焼式ヒータを有する。
【０００３】
燃焼式ヒータは、内燃機関と独立した燃焼室と、その燃焼室周りを包囲するように形成した水路（以下「ヒータ内冷却水通路」という。）とを備えてなる熱交換部を有する。
【０００４】
熱交換部のヒータ内冷却水通路と内燃機関のウォータジャケットとは、機関冷却水を後者のウォータジャケットから前者のヒータ内冷却水通路へ導く機関冷却水導入管で、また機関冷却水を前者のヒータ内冷却水通路から後者のウォータジャケットへ排出する機関冷却水排出管でつながっている。
【０００５】
そして冷寒時等機関冷却水がまだ冷えた状態の時に機関燃料の一部を燃焼式ヒータの燃焼室で燃焼するとともに、前記機関冷却水導入管を介して機関冷却水をヒータ内冷却水通路に導く。導入された機関冷却水は燃焼式ヒータの燃焼熱を受けて昇温する。すなわち、機関冷却水と燃焼熱との間で熱交換が行われる。昇温された機関冷却水（温水）は機関冷却水排出管を介して燃焼式ヒータの外部に排出され前記ウォータジャケットへ戻る。
【０００６】
よって機関冷却水が冷えている時であっても燃焼式ヒータを作動することにより機関冷却水を早期に昇温できるので、機関暖機の促進と室内用暖房装置の暖房性能の向上を図れる。
【０００７】
ところで、燃焼式ヒータは、既述のように機関燃料の一部を利用して燃焼を行うため、その燃焼ガスには内燃機関の排気ガスと同様のガス成分を含む場合があり、よってその場合は燃焼ガスを浄化することが望まれる。
【０００８】
このような要求に対して特開昭６０−７８８１９号公報記載の技術が提案されており、この技術では、燃焼ガスを燃焼式ヒータの外部に排出する燃焼ガス排出管を機関排気管に接続することで機関排気管下流側に設置した排気浄化装置により機関排気ガスとともに燃焼ガスを浄化するようになっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前記排気浄化装置として周知のものに触媒コンバータがある。
触媒コンバータは、三元触媒、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒、選択還元型リーンＮＯＸ触媒等を包蔵しかつ機関排気管を流れるガスが導入されるようになっているケース体を有し、このケース体に入るガスを前記触媒で浄化する装置である。  一方、触媒はその温度がある所定温度に達して活性しなければ排気中の有害ガス成分を浄化できない。よって機関排気ガスや燃焼ガスの浄化を確実にするには前記所定温度以上に触媒の温度を維持する必要がある。なお、前記所定温度のことを「活性温度」という。
【００１０】
ところで、希薄燃焼式内燃機関の場合は、文字通り薄い（リーン）混合気を燃焼（バーン）させる内燃機関であるからその発熱量は元来少ない。よってエンジン回転数の低い低負荷運転領域にある場合は、通常運転に比べて一層排気温度が低い。このため、低負荷運転領域にあっては機関排気のみで触媒を活性温度以上に維持することが困難な場合がある。
【００１１】
そこで燃焼式ヒータの燃焼ガスを内燃機関が低負荷運転領域にある時に排気浄化装置に導入することで触媒コンバータの触媒温度を高めることが考えられるが、前記公報記載の技術では、燃焼式ヒータの燃焼ガスはヒータ内冷却水通路を通る機関冷却水との間で熱交換された後のガスであるから熱交換前よりも温度低下しておりそれだけ熱量は少ない。
【００１２】
また寒冷時の機関冷却水温度は常温時の機関冷却水温度に比べてかなり低い。よって寒冷時にあっては燃焼ガスと機関冷却水との間の温度差が大きくなるため、その時に熱交換した場合の熱交換率は、前記温度差が小さい常温時よりも大きくなる。この結果、寒冷時に燃焼式ヒータから排出される燃焼ガスの温度は、常温時に燃焼式ヒータから排出される燃焼ガスの温度に比べてかなり低温であると考えられる。
【００１３】
よって前記公報記載の技術ではたとえ燃焼式ヒータを作動しても触媒を燃焼ガスだけで活性温度にまで昇温させるのは困難か、かなり時間がかかる。
そこで、燃焼式ヒータにヒータ内冷却水通路を設けないようにすることで直火によるかなり高熱の燃焼ガスを触媒コンバータに供給することも考えられるが、機関冷却水温度を高める燃焼式ヒータとは別に燃焼式ヒータを備える必要が生じ部品点数の増加を将来することになって好ましくない。
【００１４】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、燃焼式ヒータを有する内燃機関において、排気系に備えられる触媒の温度を早期に高める必要のある場合には、機関冷却水と燃焼ガスとの間の熱交換率を低下させることにより、熱量の多い燃焼ガスを排気浄化装置へ供給することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記した課題を解決するために以下の手段を採用した。
（１）本発明に係る内燃機関は、燃料を燃焼する燃焼室と、この燃焼室と機関関連要素との間を循環する熱媒体と、燃焼源から排出された燃焼ガスを燃焼式ヒータの外部に向けて流す燃焼ガス通路とこの燃焼ガス通路周りに形成されて前記燃焼式ヒータに対して熱媒体を出入りさせる熱媒体通路とを有し、燃焼ガスと熱媒体との間で熱交換を行う熱交換部と、前記燃焼ガス通路内に前記燃焼式ヒータ外部からの空気を強制的に流入させることで前記熱交換部での熱交換率を低下させる熱交換率低下手段とを備える燃焼式ヒータを有するようにした。
【００１６】
ここで「機関関連要素」とは例えば機関本体や車輌室内暖房用のヒータ・コア等を挙げられる。
「熱媒体」とは機関冷却水を例示できる。
【００１７】
「燃焼式ヒータ」としては周知の気化式燃焼ヒータが好ましい。
「熱交換」とは、周知のごとく温度の異なる流体同士の直接または間接的な接触によって高温流体と低温流体との間で熱を移動することをいう。異なる流体とは、この明細書では熱媒体と燃焼ガスのことである。熱媒体が機関冷却水であれば、燃焼ガスの方が熱が高いので、燃焼ガス側から機関冷却水側に熱が移動し、燃焼ガスの温度が低下し機関冷却水の温度が高まる。
【００１８】
「熱交換率」は温度の異なる流体間での熱移動の割合のことであり、流体間での温度差があるほど熱交換率は高い。「熱交換率低下手段」とは、流体間の温度差を縮めることと、熱交換時間を短くすることで熱交換率を低下させ、高温流体から低温流体への熱移動の割合を低下する手段である。
本発明に係る「熱交換率低下手段」では、燃焼ガス通路内に燃焼式ヒータ外部からの空気を強制的に流入させる。空気が燃焼室内に強制的に入れられると燃焼室内の空気量が増大し燃焼室内が加圧状態になる。よって、この流れ込む空気のことを便宜上加圧空気ということにする。
加圧空気が燃焼ガス通路内に入り込むと、その分、燃焼ガスの温度は低下する。よって当該低下した分、燃焼ガスと熱媒体との温度差は縮まるので加圧空気を燃焼ガス通路に導入しない場合よりも燃焼ガスと熱媒体との間で行われる熱交換率は低下する。この結果、加圧空気を燃焼ガス通路に導入しない場合よりも燃焼ガスの温度は低下するけれども、燃焼ガス通路内に加圧空気が入り込んだ分燃焼ガス量は増大し、熱媒体への放熱量は減少するので、当該増量した燃焼ガスが有する全体熱量は、加圧空気を燃焼ガス通路に導入しない場合における燃焼ガスの全体熱量よりも多くできる。
【００１９】
このような構成の燃焼式ヒータを有する内燃機関では、排気浄化装置の触媒温度を高める必要が生じた場合には、熱交換率低下手段を用いることで燃焼ガスが有する熱量の低下を抑制し、燃焼ガスと熱媒体との間で熱交換が実行されても燃焼ガスはさほど熱量が低下しない。
【００２０】
このようにすることで燃焼ガスは熱交換率低下手段がなかった場合またはあっても作動させなかった場合に比してその有する熱量が多くなるので、当該熱量の比較的多い燃焼ガスを内燃機関本体内の気筒や排気浄化装置に導入してやれば、低負荷運転時における気筒内での燃焼を安定させたり排気浄化装置の触媒温度を効率的に高めたりすることができる。
（２）前記熱交換率低下手段によって熱交換率の低い状態で前記熱媒体との間で熱交換された燃焼ガスを内燃機関の排気通路のうち当該排気通路に設けた排気浄化装置の設置箇所よりも上流側にまたは内燃機関の吸気通路側に選択的に排出する燃焼ガス排出通路を有することが好ましい。
【００２１】
「排気浄化装置」としては、三元触媒、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒、選択還元型リーンＮＯＸ触媒等を包蔵するケース体を有し、このケース体に対して入出するガスを前記触媒で浄化する装置である触媒コンバータを例示できる。
【００２２】
燃焼ガス排出通路は、排気通路のうち当該排気通路に設けた排気浄化装置の設置箇所よりも上流側にまたは内燃機関の吸気通路に向けて前記熱交換された燃焼ガスを選択的に排出できるので、内燃機関本体または排気浄化装置のうち所望温度に達していない側に向けて燃焼ガスが流れるように燃焼ガスの排出先を選択すれば当該選択された側に集中して燃焼ガスを供給できる。
【００２３】
よって、低負荷運転時における気筒内での燃焼を安定させたり排気浄化装置の触媒温度を効率的に高めたりすることができる。なお前記所望温度とは、低負荷運転時における気筒内での燃焼を安定させるのに十分な、また、触媒を活性させたりあるいはいわゆるＳ被毒状態にある触媒の被毒回復処理をさせたりするのに十分な温度をいう。
（３）前記燃焼ガス排出通路は前記排気通路および前記吸気通路に二股状に分岐して延びる通路であって、この通路の分岐点には燃焼ガスの流れの経路を前記排気通路側にまたは前記吸気通路側に切り換える燃焼ガス経路切換手段を有することが好ましい。
【００２４】
「燃焼ガス経路切換手段」としては、燃焼ガスの出・入口が三方向についており、弁の移動によって出口を切り換えられる三方切換弁を例示できる。三方切換弁を前記分岐点に設置することで、吸気通路側または排気通路側へ燃焼ガスを確実に流せる。よって、一層効率的に低負荷運転時における気筒内での燃焼を安定させたり排気浄化装置の触媒温度を高めたりできる。
（４）前記熱交換率低下手段は、前記燃焼室のうち前記燃焼ガス通路の一端に形成されて燃焼室外部と通じる通し穴およびこの通し穴を介して前記燃焼ガス通路内に前記燃焼式ヒータ外部からの空気を強制的に流入させるファンを備えてなるものが好ましい。
【００２５】
前記熱交換率手段手段では、ファンを回転させることで前記通し穴を介して燃焼室内に強制的に加圧空気を送り込む。そのため、燃焼式ヒータが作動している場合の燃焼室内の圧力に抗して燃焼室内に加圧空気を送り入り込めるようファンの回転数を内燃機関の作動状態に応じて可変することが望ましい。
【００２６】
このような構成の燃焼式ヒータを有する内燃機関では、前記ファンの作動によって生じる加圧空気が前記通し穴を介して燃焼ガス通路内に入り込むのでその分、燃焼ガスの温度は低下する。よって当該低下した分、燃焼ガスと熱媒体との温度差は縮まるので前記熱交換率低減手段を機能させない場合よりも燃焼ガスと熱媒体との間で行われる熱交換率は低下する。この結果、前記熱交換率低減手段を機能させない場合よりも燃焼ガスの温度は低下するけれども、燃焼ガス通路内に加圧空気が入り込んだ分燃焼ガス量は増大し、熱媒体への放熱量は減少するので、当該増量した燃焼ガスが有する全体熱量は、熱交換率低下手段を構成する前記通し穴やファンを機能させないことにより加圧空気を燃焼ガス通路に導入しない場合における燃焼ガスの全体熱量よりも多くできる。
【００２７】
すなわち、総体として、触媒コンバータや気筒内に導入される熱量が増えるため、排気浄化装置の昇温と低負荷運転時における気筒内での燃焼安定化が可能である。
（５）ファンの設置箇所は、燃焼式ヒータに流れ込む空気が燃料の燃焼に供された後、燃焼ガスとなって流れる方向において、上流側端でも下流側端でもどちらでもよい。要は、ファンが駆動することで燃焼室内に新気を強制的に導入できるようになっていればよい。このようにファンの設置箇所を上流側端でも下流側端でもどちら側でもよくすることで燃焼式ヒータの設計の自由度を広げられる。
（６）新気を供給する新気導入通路と、前記燃焼室のうち前記新気導入通路設置側に前記通し穴とを形成し、この通し穴形成側に前記ファンを有することが好ましい。
【００２８】
燃焼式ヒータのうち前記通し穴形成側にファンを設置するとファンは、燃焼室に対して出入りする新気および燃焼ガス（以下特に断らない限りこれらを総称して「流通ガス」という。）の流れ方向上流側に位置する。この場合、ファンは高温の燃焼ガス中に曝されないので高価な耐熱材を用いたファンを使用したりあるいは特別な熱害対策をファンに対して施したりしなくてもよい。
（７）前記通し穴は、前記ファンの回転によって加圧される空気の流通量を制御する制御弁を有することが望ましい。この制御弁の開閉を機関運転状態に応じて制御すれば燃焼室内の加圧状態が可変し、当該可変具合を機関運転状態に合わせて好適に調整すれば機関運転状態にあった最適な燃焼ガス量および燃焼ガス温度を保持できる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃焼式ヒータを有する内燃機関の具体的な実施の形態について図面に基づいて説明する。
〈燃焼式ヒータの基本構成〉
本発明に係る燃焼式ヒータを有する内燃機関は、燃焼式ヒータの構造および燃焼式ヒータの内燃機関への取り付け方に特徴がある。よって、最初に燃焼式ヒータについて説明し、順次内燃機関本体との関係を述べる。
【００３０】
燃焼式ヒータ１７は周知の気化式燃焼ヒータであり、図１に示すようにその内部に内燃機関のウォータジャケット（機関関連要素）から熱媒体である機関冷却水を流す熱媒体通路としてのヒータ内冷却水通路１７ａを有する。
【００３１】
ヒータ内冷却水通路１７ａを流れる機関冷却水（図１に破線矢印で示す。）は、燃焼式ヒータ１７の内部に形成した燃焼部である燃焼室１７ｄの周りを巡るようにして通過し、その間に燃焼室１７ｄからの熱を受けて暖まる。
【００３２】
燃焼室１７ｄは、火炎を出す燃焼源としての燃焼筒１７ｂと、燃焼筒１７ｂを覆うことで火炎が外部に漏れないようにする円筒状の隔壁１７ｃとからなる。燃焼筒１７ｂを隔壁１７ｃで覆うことで通路状の燃焼室１７ｄが隔壁１７ｃ内に画される。そして、この隔壁１７ｃも間隔を空けて燃焼式ヒータ１７の外壁４３で覆われている。間隔を空けることで外壁４３の内面と隔壁１７ｃの外面との間に前記ヒータ内冷却水通路１７ａができる。
【００３３】
また、燃焼式ヒータ１７は、その内部を流通する流通ガス（燃焼室１７ｄに対して出入りする燃焼ガスａ２および新気ａ１の総称）が出入りする排気排出口１７ｄ２および新気供給口１７ｄ１を有する。
【００３４】
燃焼室１７ｄのうち流通ガスが実際に通る部分を燃焼ガス通路といい符号１５０で示す。燃焼ガス通路１５０を経由して燃焼筒１７ｂから排出した燃焼ガスを燃焼式ヒータ１７の外部へ流す。燃焼ガス通路１５０は、燃焼筒１７ｂを隔壁１７ｃで覆うことで燃焼筒１７ｂ周りに形成される。
【００３５】
新気ａ１は、新気供給口１７ｄ１から燃焼式ヒータ１７内に入ると燃焼室１７ｄで燃焼に供され、その後、燃焼ガスａ２となって排気排出口１７ｄ２に向かう。
【００３６】
また、外壁４３には、燃焼筒１７ｂへ新気ａ１を送り込むための送風ファン１４９と、この送風ファン１４９を回転駆動するモータ１５０とを内装したハウジング１４８を付帯する。そして、ハウジング１４８に前記新気供給口１７ｄ１が設けられており、新気供給口１７ｄ１からハウジング１４８内に入った新気ａ１が送風ファン１４９によって燃焼筒１７ｂに送り込まれる。
【００３７】
燃焼筒１７ｂの燃焼式ヒータ１７への取り付けは、燃焼筒１７ｂの一端に一体化して設けたフランジ２００を隔壁１７ｃの内壁面に溶接等の適宜の固着手段によってなす。またフランジ２００には、燃焼筒１７ｂの火炎形成室２０１内に新気ａ１を導入する複数の導入孔２０２（図面では２つのみ示す。）を穿孔するとともに、火炎形成室２０１を形成する壁面にも複数の新気通し穴２０４を形成してある。
【００３８】
また、フランジ２００のうち導入孔２０２よりも外側部分には燃焼室１７ｄのうち前記燃焼ガス通路１５０の一端に形成されて燃焼室外部と通じる通し穴２０５を形成してあり、この通し穴２０５には送風ファン１４９の回転によって加圧される空気の流通量を制御する制御弁としての開閉弁２０６を取り付けてある。
【００３９】
この関係から燃焼式ヒータ１７のうちこの通し穴２０５形成側に送風ファン１４９が設置されているということができる。送風ファン１４９が回転することで、通し穴２０５経由で燃焼ガス通路１５０に新気が供給されるので燃焼ガス通路１５０のことを新気を供給する新気導入通路ということができる。
【００４０】
なお、この実施形態では通し穴２０５を一つしか示してないが複数あってもよい。通し穴２０５を経由して燃焼室１７ｄ内に入った新気は、燃焼には直接供されず専ら燃焼ガスａ２と混合してその流量を増大するためのものである。この増大した燃焼ガスを符合ａ２’で示す。なお、開閉弁２０６が閉じている時は、燃焼ガスは流量の増大しない前記単なる燃焼ガスａ２となる。これら燃焼ガスａ２やａ２’は排気排出口１７ｄ２を経由して燃焼式ヒータ１７の外部に排出される。開閉弁２０６を閉じて燃焼ガスａ２とするか開いて燃焼ガスａ２’とするかについては、燃焼式ヒータ１７の適用例の項で順次述べる。
【００４１】
燃焼ガスａ２またはａ２’（以下燃焼ガスとして両者を指す場合、これらの燃焼ガスを総称して符合「Ａ２」を用いて示すものとする。ただし、Ａ２は説明の便宜上用いる符号であって図示はしない。）は、燃焼式ヒータ１７から出る排気ガスであるから熱を持つ。よって当該燃焼ガスＡ２が燃焼式ヒータ１７から出るまでの間において、隔壁１７ｃを通してヒータ内冷却水通路１７ａを流れる機関冷却水に伝わって機関冷却水を暖める。したがって、燃焼室１７ｄは、燃焼室１７ｄで生じた燃焼ガスとヒータ内冷却水通路１７ａを流れる機関冷却水との間で熱交換を行う熱交換部といえる。換言すれば熱交換部である燃焼室１７ｄは、そこから排出された燃焼ガスを燃焼式ヒータ１７の外部に向けて流す燃焼ガス通路１５０とこの燃焼ガス通路１５０周りに形成されて燃焼式ヒータ１７に対して機関冷却水を出入りさせるヒータ内冷却水通路１７ａとからなり、燃焼ガスの持つ熱が機関冷却水に伝わって、ヒータ内冷却水通路１７ａを流れる機関冷却水を暖める伝熱部である。
【００４２】
なお、熱交換とは、周知のごとく温度の異なる流体同士の直接または間接的な接触によって高温流体と低温流体との間で熱を移動することをいう。異なる流体とは、この実施形態では機関冷却水と燃焼ガスのことである。機関冷却水よりも燃焼ガスの方が温度が高いので、熱交換がなされれば燃焼ガス側から機関冷却水側に熱が移動し、燃焼ガスの温度が低下し機関冷却水の温度が高まる。また熱交換がどの位の割合でなされたかを示すものを熱交換率というが、流体間での温度差があるほど熱交換率は高くなる。また、ヒータ内冷却水通路１７ａは、冷却水導入口１７ａ１と冷却水排出口１７ａ２とを有する。
【００４３】
なお、燃焼筒１７ｂは、燃料ポンプ２６とつながっている燃料供給管１００を備え、燃料ポンプ２６のポンプ圧で燃焼用燃料が供給される。この供給された燃焼用燃料は、燃焼式ヒータ１７内で気化して気化燃料になり、この気化燃料は、着火源であるグロープラグ（図示せず）によって着火される。
【００４４】
次にこのような燃焼式ヒータ１７を内燃機関１に適用した場合の適用例を示す。
（適用例１）
図１および図２を参照して適用例１を説明する。
【００４５】
内燃機関１は、ディーゼルエンジン等の希薄燃焼式多気筒エンジンであってその機関本体１ａ内の図示しない各気筒には吸入分岐管であるインテークマニホルド２が接続され、インテークマニホルド２の各枝管が前記各気筒の燃焼室と図示しない吸気ポートを介して連通している。前記吸気枝管２は、吸気通路である吸気管３に接続され、吸気管３は、エアフィルタを内装したエアクリーナ４に接続してある。
【００４６】
吸気管３のうちエアクリーナ４よりも下流には、遠心過給機であるターボチャージャ５のコンプレッサハウジング５ａを設けてある。コンプレッサハウジング５ａ内には、コンプレッサホイール５ａ１が回転自在に支持してある。このコンプレッサホイールの回転軸は、後述するタービンハウジング５ｂ内に回転自在に支持したタービンホイール５ｂ１の回転軸と一体に連結されて軸体５ｃを形成する。よって軸体５ｃによりコンプレッサホイールとタービンホイールとが一体に回転する。
【００４７】
続いて、吸気管３のうち前記コンプレッサハウジング５ａよりも下流部分には前記コンプレッサハウジング５ａにて圧縮された際に高温となった吸気を冷却するインタークーラ６を設けてある。
【００４８】
また、吸気管３のうちインタークーラ６よりも下流には、吸気管３内の吸気流量を調節する吸気絞り弁であるスロットルバルブ７を設置してあり、スロットルバルブ７には、その開閉駆動要の図示しないアクチュエータを取り付けてある。
【００４９】
このような構成の吸気系では、エアクリーナ４に流入した新気がエアフィルタにて埃や塵を除去された後、吸気管３を経てコンプレッサハウジング５ａに導かれてコンプレッサハウジング５ａ内で圧縮される。
【００５０】
コンプレッサハウジング５ａ内で圧縮されて高温となった新気は、インタークーラ６により冷却され、当該吸気は必要に応じてスロットルバルブ７によって流量調節された後、インテークマニホルド２を経て各気筒の燃焼室に分配される。この新気は図示しない燃料噴射弁から噴射される燃料の燃焼用空気として供される。
【００５１】
また、内燃機関１には排気集合管であるエキゾーストマニホルド９を接続してあり、エキゾーストマニホルド９の各枝管が前記各気筒の燃焼室と図示しない排気ポートを介して連通している。エキゾーストマニホルド９は、排気通路である排気管１０と接続され排気管１０の下流には図示しないマフラーを取り付けてある。そして排気管１０のうちマフラーよりも上流箇所には、排気ガスを浄化する排気浄化触媒をケース体内に包蔵する排気浄化装置としての触媒コンバータ１１を設置してある。排気浄化触媒としては、選択還元型リーンＮＯＸ触媒、吸蔵還元型リーンＮＯＸ触媒、あるいは三元触媒等を例示できる。
【００５２】
排気管１０のうち前記触媒コンバータ１１の上流箇所には、排気の圧力によって作動するタービンハウジング５ｂを配置してある。インテークマニホルド２とエキゾーストマニホルド９とは、排気管１０内を流れる排気の一部をエキゾーストマニホルド９からインテークマニホルド２に再循環するＥＧＲ管１２で接続してあり、ＥＧＲ管１２は、再循環排気量調節用の弁であるＥＧＲバルブ１３を有する。
【００５３】
このような構成の排気系では、各気筒の燃焼室で燃焼された混合気がエキゾーストマニホルド９の各枝管を通って排気管１０に導かれ、次いでタービンハウジング５ｂ内に流入する。タービンハウジング５ｂ内に流入した排気は、タービンホイール５ｂ１を回転しつつタービンハウジング５ｂから排出され、その後触媒コンバータ１１に流れ込む。その際、触媒コンバータ１１の触媒温度が活性温度以上であれば、触媒コンバータ１１の触媒により排気ガスを浄化する。
【００５４】
また、ＥＧＲバルブ１３が開弁している時は、排気管１０を流れる排気の一部がＥＧＲ管１２を介して吸気管３に導かれ、吸気管３の上流から流れてきた新気ａ１と混ざり合いながら内燃機関１の燃焼室へ導かれ、図示しない燃料噴射弁から噴射された燃料と混在した状態で再び機関燃焼に供される。
【００５５】
次に、内燃機関１は、既述した燃焼式ヒータ１７を有する。
燃焼式ヒータ１７の内燃機関１への接続は、新気導入管１５と燃焼ガス排出管１８とによって吸気管３のうちインタークーラ６よりも下流部分にてなす。
【００５６】
新気導入管１５は、燃焼式ヒータ１７の新気供給口１７ｄ１と吸気管３とを結ぶ通路であり、吸気管３のうち新気導入管１５との接続箇所はスロットルバルブ７よりも上流側近傍箇所である。
【００５７】
また燃焼ガス排出管１８は燃焼式ヒータ１７の排気排出口１７ｄ２から吸気管３および排気管１０に二股状に分岐して延びる通路であって、その分岐点には燃焼ガスの出・入口が三方向についており、弁の移動によって出口を切り換えて、入って来た燃焼ガスの流れの経路を排気管１０側にまたは吸気管３側に切り換える燃焼ガス経路切換手段としての三方切換弁４０を有する。
【００５８】
燃焼ガス排出管１８のうち、三方切換弁４０を介して吸気管３と接続されている吸気側排出管５０は吸気管３のうちスロットルバルブ７の設置個所よりも下流側近傍箇所で吸気管３に接続してある。また燃焼ガス排出管１８のうち、三方切換弁４０を介して排気管１０と接続してある排気側排出管５２は排気管１０のうち触媒コンバータ１１の設置個所とタービンハウジング５ｂとの間で排気管１０と接続してある。
【００５９】
そして三方切換弁４０は、吸気側排出管５０と排気側排出管５２との何れか一方を選択的に閉塞することにより、燃焼ガス排出管１８の吸気管３に対する導通（閉塞）と、燃焼ガス排出管１８の排気管１０に対する導通（閉塞）と、を切り換えるものである。換言すると、燃焼ガスを排気管１０のうち触媒コンバータ１１の設置個所よりも上流側に向けてまたは吸気管３側に向けて選択的に排出する。
このようにすることで吸気管３側または排気管１０側へ燃焼ガスを確実に流せる。  さらに新気導入管１５と燃焼ガス排出管１８とは、両管に生じる過剰差圧を回避する過剰差圧キャンセル逆止弁５４を有する橋渡し管６０でつながっている。橋渡し管６０が有する過剰差圧キャンセル逆止弁５４は、例えばターボチャージャ５が作動して新気導入管１５の圧力が燃焼ガス排出管１８の圧力と比べて大きくなり過ぎたときにのみ作動し、過剰空気が燃焼式ヒータ１７に供給されないようにし、これにより着火し易くしている。換言すると、新気導入管１５に過剰空気が流れると過剰差圧キャンセル逆止弁５４が開いて当該過剰空気を燃焼式ヒータ１７には通さずに燃焼ガス排出管１８にバイパスさせることで着火がしづらくなるのを防止する。
【００６０】
過剰差圧キャンセル逆止弁５４は、新気導入管１５の圧力が所定圧力よりも高まった時に過剰差圧キャンセル逆止弁５４が自動的に開いて新気導入管１５に流れる吸気を燃焼ガス排出管１８に分岐して送り出す。
【００６１】
一方、燃焼式ヒータ１７は、図２に示すように冷却水導入口１７ａ１と内燃機関１の図示しないウォータジャケットとが機関冷却水導入管２２を介して連通し、前記冷却水排出口１７ａ２と前記ウォータジャケットとが機関冷却水排出管２３を介して連通している。
【００６２】
前記機関冷却水導入管２２の途中には、電動式のウォータポンプ２４を設けてあり、内燃機関１が作動していないときでも前記冷却水導入口１７ａ１からヒータ内冷却水通路１７ａに強制的に機関冷却水を送り込めるようになっている。
【００６３】
前記機関冷却水排出管２３の途中には、室内用暖房装置のヒータコア（機関関連要素）２５が配置され、燃焼式ヒータ１７によって暖められた機関冷却水がヒータコア２５を通過する間に機関冷却水の持つ熱が暖房用空気に伝達されて室内用暖房装置が機能するようになっている。
【００６４】
このような構成の内燃機関１では、例えば、内燃機関本体の暖機促進又は室内用暖房装置の性能向上を図るべく機関冷却水を昇温させる必要が生じた場合は、燃焼式ヒータ１７の開閉弁２０６を閉じて新気通し穴２０４から燃焼室１７ｄ内に新気ａ１が供給されないようにする。すると開閉弁２０６を開いて通し穴２０５から燃焼室１７ｄ内に新気ａ１を供給する場合に比べて燃焼室１７ｄ内に供給される新気ａ１の量が少なくなり、燃焼ガスは前記燃焼ガスａ２となって排気排出口１７ｄ２からヒータ外部に排出される。
【００６５】
燃焼ガスａ２は、通し穴２０５を経由して燃焼室１７ｄ内に入る新気を含まないガスであるので、通し穴２０５を経由して燃焼室１７ｄ内に入る新気を含む燃焼ガスａ２’に比べて温度が高い。
【００６６】
しかして燃焼式ヒータ１７にはヒータ内冷却水通路１７ａを有し、機関冷却水温度が一定であるとしたならば、燃焼ガスａ２と機関冷却水との間の温度差が燃焼ガスａ２’と機関冷却水との間の温度差よりも大きいので、燃焼ガスａ２と機関冷却水との間で行われる熱交換は、燃焼ガスａ２’と機関冷却水との間で行われる熱交換よりも率が高く、よって前者のほうが後者よりも燃焼式ヒータ１７から排出される機関冷却水の温度が高くなる。よって、その場合、当該高温の機関冷却水を機関暖機の促進や室内用暖房装置の性能向上のために供すれば好適である。
【００６７】
燃焼ガスａ２’が発生する場合に燃焼式ヒータ１７から出る機関冷却水の温度は、燃焼ガスａ２が発生する場合に燃焼式ヒータ１７から出る機関冷却水の温度よりも低いけれども、燃焼ガスａ２’の発生量は、導入孔２０２以外に通し穴２０５を由して新気ａ１が燃焼室内１７ｄに入り込む分、燃焼ガスａ２よりも増大する。
【００６８】
また新気ａ１の量は送風ファン１４９の回転数によっても変化する。そして前記のごとく新気ａ１の量が変化することで熱交換率も変化し、新気ａ１の量は送風ファン１４９の回転数によっておよび通し穴２０５の大きさや形状によって変化し、よって熱交換率を低下することもできるので、送風ファン１４９および通し穴２０５のことを熱交換部での熱交換率を低下する熱交換率低下手段ということにする。また、送風ファン１４９が回転し通し穴２０５を介して新気である燃焼式ヒータ外部からの空気が燃焼室１７ｄ内に強制的に入れられると燃焼室１７ｄ内の空気量が増大し燃焼室１７ｄ内が加圧状態になる。よって、この流れ込む空気のことを便宜上加圧空気ということにする。
【００６９】
すなわち、前記熱交換率低減手段を機能させない場合よりも機能させたほうが燃焼ガスの温度は低下するけれども、燃焼ガス通路１５０内に加圧空気が入り込んだ分燃焼ガス量は増え、機関冷却水への放熱量は減少する。このため、当該増量した燃焼ガスが有する全体熱量は、熱交換率低下手段を構成する前記通し穴２０５や送風ファン１４９を機能させないことにより、前記加圧空気を燃焼ガス通路１５０に導入しない場合における燃焼ガスの全体熱量よりも多くできる。すなわち、三方切換弁４０を有する燃焼ガス排出管１８を経由させて排気管１０や吸気管３に燃焼ガスａ２’を流せば、触媒コンバータ１１や気筒内に導入される熱量が総体として増えるため、低負荷運転時における気筒内での燃焼を安定させたり排気浄化装置の触媒温度を効率的に高めたりすることができる。
【００７０】
また、熱交換率低減手段を機能させない場合、燃焼ガスは温度の高い燃焼ガスａ２となりこの燃焼ガスａ２で熱交換した機関冷却水をウォータジャケットやヒータコア２５に流せば内燃機関本体の暖機促進や室内用暖房装置の性能向上を図ることができる。
【００７１】
すなわち昇温された機関冷却水は、冷却水排出口１７ａ２から機関冷却水排出管２３へ排出され、ヒータコア２５を介して機関本体１ａのウォータジャケット内へ戻され、前記ウォータジャケット内を循環する。前記ヒータコア２５では、機関冷却水が持つ熱の一部が暖房用空気に伝達され、暖房用空気が昇温する。
【００７２】
この結果、内燃機関１のウォータジャケット内を流れる機関冷却水の熱が内燃機関１の構成要素へ伝達され、暖機性能が向上するとともに、前記ヒータコア２５において暖房用空気が昇温されるため、室内用暖房装置の暖房性能が向上する。
【００７３】
このように内燃機関１では、触媒コンバータ１１が包蔵する触媒の温度を高める必要が生じた場合には、熱交換率低下手段を用いることで燃焼ガスが有する熱量の低下を抑制し、燃焼ガスと機関冷却水との間で熱交換が実行されても燃焼ガスはさほど温度低下しない。
【００７４】
このようにすることで燃焼ガスは熱交換率低下手段がなかった場合またはあっても作動させなかった場合に比してその有する熱量が多くなるので、当該熱量の比較的多い燃焼ガスを内燃機関本体１ａ内の気筒や触媒コンバータ１１に導入してやれば、低負荷運転時における気筒内での燃焼を安定させたり触媒コンバータ１１の触媒温度を効率的に高めたりすることができる。
【００７５】
三方切換弁４０を有する燃焼ガス排出管１８は、排気管１０のうち当該排気管１０に設けた触媒コンバータ１１の設置箇所よりも上流側にまたは吸気管３に向けて前記熱交換された燃焼ガスを選択的に排出できるので、内燃機関本体１ａまたは触媒コンバータ１１（触媒）のうち所望温度に達していない側に向けて燃焼ガスが流れるように燃焼ガスの排出先を三方切換弁４０によって選択すれば、当該選択された側に集中して燃焼ガスを供給できる。よって、低負荷運転時における気筒内での燃焼を安定させたり触媒コンバータ１１の触媒温度を高めたりできる。なお前記所望温度とは、内燃機関１の場合であれば暖機促進を行うに十分なまた触媒コンバータ１１の場合であれば触媒を活性させるに十分な温度をいう。
【００７６】
そして燃焼式ヒータ１７が作動している場合の燃焼室１７ｄ内の圧力に抗して燃焼室１７ｄ内に加圧空気を送り入り込めるよう送風ファン１４９の回転数を内燃機関１の作動状態に応じて可変することが望ましい。
【００７７】
このような構成の内燃機関１では、送風ファン１４９の作動によって生じる加圧空気が通し穴２０５を介して燃焼ガス通路１５０内に入り込むのでその分、燃焼ガスの温度は低下する。よって当該低下した分、燃焼ガスと機関冷却水との温度差は縮まるので前記熱交換率低減手段を機能させない場合よりも燃焼ガスと機関冷却水との間で行われる熱交換率は低下する。この結果、前記熱交換率低減手段を機能させない場合よりも燃焼ガスの温度は低下し、機関冷却水への放熱量は減少するけれども、燃焼ガス通路１５０内に加圧空気が入り込んだ分燃焼ガス量は増大する。
【００７８】
このため、当該増量した燃焼ガスが有する全体熱量は、熱交換率低下手段を構成する前記通し穴２０５や送風ファン１４９を機能させないことにより加圧空気を燃焼ガス通路１５０に導入しない場合における燃焼ガスの全体熱量よりも多くできる。
【００７９】
すなわち、総体として、触媒コンバータ１１や気筒内に導入される熱量が増えるため、排気浄化装置の昇温と低負荷運転時における気筒内での燃焼安定化が可能である。
【００８０】
燃焼式ヒータ１７のうち通し穴２０５の形成側に送風ファン１４９を設置すると送風ファン１４９は、流通ガスの流れ方向上流側に位置する。この場合、ファンは高温の燃焼ガス中に曝されないので高価な耐熱材を用いたファンを使用したりあるいは特別な熱害対策をファンに対して施したりしなくてもよい。
【００８１】
なお送風ファン１４９の設置位置を燃焼式ヒータ１７のうち通し穴２０５の形成側と反対側にすることでも同様の効果を得られる。このように送風ファン１４９の設置箇所を上流側端でも下流側端でもどちら側でもよくすることで燃焼式ヒータ１７の設計の自由度を広げられるようになる。
【００８２】
さらに、通し穴２０５は、送風ファン１４９の回転によって加圧される空気の流通量を制御する制御弁である開閉弁２０６を有するので、開閉弁２０６の開閉を内燃機関１の運転状態に応じて制御すれば燃焼室１７ｄ内の加圧状態が可変し、当該可変具合を機関運転状態に合わせて好適に調整すれば機関運転状態にあった最適な燃焼ガス量および燃焼ガス温度を保持できる。
〈適用例２〉
次に図３を参照して適用例２を説明する。
【００８３】
この適用例２が適用例１と異なる点はターボチャージャを備えていない内燃機関にも適用できることを示すものであり、適用例１と同様の効果を得ることができる。
〈適用例３〉
次に図４を参照して適用例３を説明する。
【００８４】
この適用例３が適用例２と異なる点は新気導入管１５を大気に開放し吸気を直接大気中から供給するようにした点であり、適用例１や２と同様の効果を得ることができる。
〈適用例４〉
次に図５を参照して適用例４を説明する。
【００８５】
この適用例４が適用例３と異なる点は燃焼ガス排出管１８を吸気管３には接続せず、排気管１０にのみ接続するようにしたことと、三方弁４０の代わりに周知の開閉弁３００を設けるようにした点にある。
【００８６】
大気に開放し吸気を直接大気中から供給するようにし、燃焼式ヒータ１７の構造自体が代わるわけではないので、基本的な効果は既述した適用例１や２〜３と同様である。
【００８７】
【発明の効果】
本発明に係る燃焼式ヒータを有する内燃機関によれば、燃焼式ヒータにおいて熱交換部での熱交換率を変えることで比較的高温の燃焼ガスを必要に応じて内燃機関の吸気通路又は排気浄化触媒に供給することができるため、低負荷運転時における気筒内での燃焼を安定させたり排気浄化装置の触媒温度を効率的に高めたりすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃焼式ヒータの内部構成を示す図
【図２】本発明に係る燃焼式ヒータを有する内燃機関の適用例１を示す図
【図３】本発明に係る燃焼式ヒータを有する内燃機関の適用例２を示す図
【図４】本発明に係る燃焼式ヒータを有する内燃機関の適用例３を示す図
【図５】本発明に係る燃焼式ヒータを有する内燃機関の適用例４を示す図
【符号の説明】
１・・・・・・内燃機関
１ａ・・・・・機関本体
２・・・・・・インテークマニホルド
３・・・・・・吸気管（吸気通路）
４・・・・・・エアクリーナ
５・・・・・・ターボチャージャ
５ａ・・・・・コンプレッサハウジング
５ａ１・・・・コンプレッサホイール
５ａ２・・・・タービンホイール
５ｂ・・・・・タービンハウジング
５ｂ１・・・・タービンホイール
６・・・・・・インタークーラ
７・・・・・・スロットルバルブ
９・・・・・・エキゾーストマニホルド
１０・・・・・排気管（排気通路）
１１・・・・・触媒コンバータ（排気浄化装置）
１２・・・・・ＥＧＲ管
１３・・・・・ＥＧＲバルブ
１５・・・・・新気導入管
１７・・・・・燃焼式ヒータ
１７ａ・・・・ヒータ内冷却水通路
１７ａ１・・・冷却水導入口
１７ａ２・・・冷却水排出口
１７ｂ・・・・燃焼筒
１７ｃ・・・・隔壁
１７ｄ・・・・燃焼室（熱交換部）
１７ｄ１・・・新気供給口
１７ｄ２・・・排気排出口
１８・・・・・燃焼ガス排出管（燃焼ガス排出通路）
２２・・・・・機関冷却水導入管
２３・・・・・機関冷却水排出管
２４・・・・・ウォータポンプ
２５・・・・・ヒータコア
２６・・・・・燃料ポンプ
４０・・・・・三方切換弁（燃焼ガス経路切換手段）
４３・・・・・外壁
５０・・・・・吸気側排出管
５２・・・・・排気側排出管
５４・・・・・過剰差圧キャンセル逆止弁
１００・・・・燃料供給管
１４８・・・・ハウジング
１４９・・・・送風ファン（熱交換率低下手段，ファン）
１５０・・・・燃焼ガス通路（新気導入通路）
２００・・・・フランジ
２０１・・・・火炎形成室
２０２・・・・導入
２０４・・・・新気通し穴
２０５・・・・通し穴（熱交換率低下手段）
２０６・・・・開閉弁（制御弁）
３００・・・・開閉弁
ａ１・・・・・新気
ａ２・・・・・燃焼ガス
ａ２’・・・・燃焼ガス
Ａ２・・・・・燃焼ガスａ２、ａ２’の総称
【図１】
0003558016.tif 000002
【図２】
0003558016.tif 000003
【図３】
0003558016.tif 000004
【図４】
0003558016.tif 000005
【図５】
0003558016.tif 000006