JP2003172142A - 内燃機関のピストン温度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ピストンの頂面に向けて噴射された液体燃料
を速やかに蒸発させる。 【解決手段】 ピストン４の頂面内に凹溝４ａを形成
し、圧縮行程末期に燃料噴射弁６から凹溝４ａ内に液体
燃料を噴射する。凹溝４ａの内壁面の温度を温度センサ
３８により検出し、凹溝４ａの内壁面の温度が燃料のラ
イデンフロスト温度よりも低く維持されるように、冷却
オイルポンプ１２の吐出圧を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関のピストン
温度制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ピストンの頂面内に形成され
た凹溝内に液体燃料を噴射するようにした内燃機関にお
いて、ピストンの凹溝背面に冷却オイル通路を形成し、
この冷却オイル通路内に冷却オイルを供給すると共に、
冷却オイル通路内に供給される冷却オイルの量を機関負
荷が低くなるにつれて減少させるようにしたピストン温
度制御装置が公知である（特開平１０−６８３１９号公
報参照）。このピストン温度制御装置では、機関負荷が
低いときにピストンが過度に冷却されないようにして凹
溝内壁面に付着した燃料が速やかに蒸発されるようにし
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】確かに凹溝内壁面の温
度が比較的低いときには凹溝内壁面の温度が高くなるに
つれて燃料の蒸発速度が上昇する。しかしながら、燃料
の蒸発速度にはピークが存在し、即ち凹溝内壁面の温度
がこのピークを与える温度よりも高くなると燃料の上昇
速度は急激に低下し始める。凹溝内壁面の温度が更に高
くなってライデンフロスト温度になると膜沸騰が生じ、
そうなるともはや液体燃料を速やかに蒸発させることが
できなくなる。その結果、燃料がデポジットの形で凹溝
内壁面上に堆積するか、又は未燃ＨＣの形で燃焼室から
排出されることになる。

【０００４】そこで本発明の目的は、ピストンの頂面に
向けて噴射された液体燃料を速やかに蒸発させることが
できる内燃機関のピストン温度制御装置を提供すること
にある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に１番目の発明によれば、ピストンの頂面に向けて液体
燃料を噴射するようにした内燃機関において、ピストン
頂面の温度が燃料のライデンフロスト温度よりも低く維
持されるようにピストン頂面の温度を制御している。

【０００６】また、２番目の発明によれば１番目の発明
において、ピストン頂面の温度を求めて該求められた温
度が燃料のライデンフロスト温度よりも低く設定された
目標温度に維持されるようにピストン頂面の温度を制御
している。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１は本発明を火花点火式内燃機
関に適用した場合を示している。しかしながら本発明を
ディーゼル機関に適用することもできる。

【０００８】図１を参照すると、１は機関本体、２はシ
リンダブロック、３はピストン、４はシリンダヘッド、
５は燃焼室、６は燃焼室５内に燃料を直接噴射するため
の電気制御式燃料噴射弁、７は点火栓、８は吸気ポー
ト、９は排気ポートをそれぞれ示す。図１に示される内
燃機関では、点火栓７がシリンダヘッド３の内壁面の中
央部に配置され、燃料噴射弁６がシリンダヘッド３の内
壁面の周縁部に配置されている。

【０００９】ピストン４の頂面内には燃料噴射弁６の下
方から点火栓７の下方まで延びる凹溝４ａが形成され
る。また、凹溝４ａの背部に位置するピストン４内には
冷却オイル通路４ｂが形成される。この冷却オイル通路
４ｂは図１に示されるように、凹溝４ａに隣接配置され
た環状部分と、この環状部分から下方に延びてピストン
４の背面内に開口する開口部分とから形成されている。

【００１０】更に図１を参照すると、シリンダブロック
２の底部にはピストン４の冷却オイル通路４ｂ内に冷却
オイルを供給するための冷却オイルノズル１０が設けら
れる。この冷却オイルノズル１０は電磁弁１１を介し、
吐出圧が制御可能な冷却オイルポンプ１２の吐出側に接
続され、冷却オイルポンプ１２の吸入側はオイルパン１
３に接続される。

【００１１】ピストン４が概ね下死点まで下降すると電
磁弁１１が一定時間だけ開弁される。その結果、冷却オ
イルノズル１０から冷却オイルが噴射され、この冷却オ
イルはピストン４の冷却オイル通路４ｂ内に流入し、斯
くしてピストン４が冷却される。ここで、冷却オイルポ
ンプ１２の吐出圧が高くされるとピストン４に供給され
る冷却オイルの量が増大し従って冷却度合いが増大さ
れ、冷却オイルポンプ１２の吐出圧が低くされると冷却
度合いが低下されることになる。

【００１２】電子制御ユニット３０はデジタルコンピュ
ータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続さ
れたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ラン
ダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッ
サ）３４、常時電源に接続されているＢ−ＲＡＭ（バッ
クアップＲＡＭ）３５、入力ポート３６、及び出力ポー
ト３７を具備する。ピストン４の凹溝４ａ背面には凹溝
４ａの内壁面の温度Ｔに比例した出力電圧を発生する温
度センサ３８が取り付けられ、図示しないアクセルペダ
ルには機関負荷Ｌを表すアクセルペダルの踏込み量に比
例した出力電圧を発生する負荷センサ３９が接続され
る。これらセンサ３８，３９の出力信号は対応するＡＤ
変換器４０を介して入力ポート３６に入力される。ま
た、入力ポート３６には機関回転数Ｎを表す出力パルス
を発生する回転数センサ４１が接続される。一方、出力
ポート３７は対応する駆動回路４２を介して燃料噴射弁
６、点火栓７、電磁弁１１、及び冷却オイルポンプ１２
に接続される。

【００１３】図１に示される内燃機関では、以下に説明
する第１の燃焼と第２の燃焼とが選択的に切り替えられ
るようになっている。即ち、機関運転領域が低負荷側領
域と高負荷側領域とに分割されており、低負荷側領域で
は第１の燃焼が行われ、高負荷側領域では第２の燃焼が
行われる。第１の燃焼では図２（Ａ）に示されるよう
に、圧縮行程末期に１回だけ燃料噴射弁６からピストン
４の凹溝４ａ内に燃料が噴射される。この場合の噴射燃
料ＦＣは凹溝４ａの内壁面に衝突した後に凹溝４ａの内
壁面により案内されて点火栓７周りに向かい、その結果
図２（Ｂ）に示されるように点火栓７周りに混合気Ｇが
形成される。このとき、混合気Ｇ周りの燃焼室５内には
空気又は空気及びＥＧＲガスの層が形成される。次い
で、この混合気Ｇが点火栓７により着火せしめられる。

【００１４】これに対し第２の燃焼では図２（Ｃ）に示
されるように、吸気行程に１回だけ燃料噴射弁６から燃
料が噴射される。この場合の噴射燃料ＦＩは燃焼室５内
全体をほぼ一様に満たす混合気を形成する。次いでこの
混合気は点火栓７により着火せしめられる。なお、高負
荷側領域のうちの低負荷側の領域において、燃料を吸気
行程と圧縮行程との２回に分けて噴射する、いわゆる二
分割噴射を行うこともできる。

【００１５】さて、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示され
る第１の燃焼では、凹溝４ａに向けて噴射された液体燃
料が凹溝４ａの内壁面上を進行し、このとき凹溝４ａの
内壁面上にピストンウエットと称される燃料液膜が形成
される。この液膜の形の燃料がそのまま燃焼することは
なく、従って液膜の形の燃料を速やかにかつ十分に蒸発
させる必要がある。さもなければ凹溝４ａの内壁面上に
デポジットが形成され、又は燃焼室５から排出される未
燃ＨＣの量が増大する。

【００１６】液膜の形の燃料は凹溝４ａの内壁面から受
熱して蒸発する。従って、液体燃料の蒸発速度ができる
だけ高くなるようにピストン４の温度を制御すれば、デ
ポジットの形成を抑制でき未燃ＨＣの量を低減できるこ
とになる。このとき機関に供給された燃料を有効に利用
できるので燃料消費率を低減することもできる。

【００１７】図３は単位量の燃料が蒸発するのに必要な
時間ｔＶの変化を示す実験結果である。図３において、
ＴＳは燃料を加熱する表面の温度を表している。図３か
らわかるように、燃料への熱移動がもっぱら自然対流に
よる自然対流域では、加熱面温度ＴＳが高くなるにつれ
て蒸発時間ｔＶが徐々に短くなり、加熱面温度ＴＳが更
に高くなって燃料の核沸騰が生ずる核沸騰域になると加
熱面温度ＴＳが高くなるにつれて蒸発時間ｔＶが急激に
短くなる。加熱面温度ＴＳが更に高くなって遷移沸騰域
になると蒸発時間ｔＶは急激に長くなり、加熱面温度Ｔ
Ｓが更に高くなって燃料の膜沸騰が生ずる膜沸騰域にな
ると蒸発時間ｔＶは徐々に短くなる。膜沸騰が生ずると
燃料液滴と加熱面との間に燃料蒸気が介在し、燃料液滴
への熱伝達が悪化する。

【００１８】そうすると、凹溝４ａの内壁面上の液体燃
料を速やかにかつ十分に蒸発させるためには、凹溝４ａ
の内壁面の温度を、膜沸騰が始まる加熱面温度であるラ
イデンフロスト温度ＴＬよりも低く維持すればよいこと
になる。

【００１９】そこで本発明による実施例では、温度セン
サ３８により凹溝４ａの内壁面の温度Ｔを検出し、この
温度Ｔが燃料のライデンフロスト温度ＴＬよりも低く維
持されるように冷却オイルポンプ１２の吐出圧を制御し
ている。或いは、燃料の膜沸騰が生じないように凹溝４
ａの内壁面の温度を制御しているという見方もできる。

【００２０】ここで、ライデンフロスト温度ＴＬは燃料
の成分、ピストン４特に凹溝４ａの内壁面の材質及び表
面粗さ、筒内圧力などに応じて変動し、従って正確に何
度であるということはできないが、概ね燃料の沸点より
も１２０℃だけ高い温度であると考えられている。

【００２１】更に本発明による実施例では、図３に示さ
れるように蒸発時間ｔＶが最も短くなる加熱面温度を目
標温度ＴＴとして予め設定しておき、凹溝４ａ内壁面の
温度Ｔがこの目標温度ＴＴに維持されるように冷却オイ
ルポンプ１２の吐出圧を制御している。このようにする
と燃料を極めて速やかにかつ十分に蒸発させることがで
きる。

【００２２】図３に示される例では目標温度ＴＴを核沸
騰域と遷移沸騰域との境界値に設定している。しかしな
がら、燃料のライデンフロスト温度ＴＬよりも低い限
り、目標温度ＴＴを核沸騰域内又は遷移沸騰域内に設定
することもできる。また、蒸発時間ｔＶが最も短くなる
加熱面温度は例えば筒内圧力に応じて変動しうる。従っ
て目標温度ＴＴを筒内圧力に応じて変動させるようにし
てもよい。

【００２３】ところで、第２の燃焼では凹溝４ａの内壁
面上に燃料液膜が形成されることはほとんどない。ま
た、燃料液膜が形成される前の例えば吸気行程や、凹溝
４ａ内壁面上の液体燃料が全て蒸発した後には、凹溝４
ａ内壁面の温度がライデンフロスト温度ＴＬを越えても
差し支えない。従って、厳密に言えば、凹溝４ａの内壁
面上に燃料液膜が存在しているとき、又は圧縮行程末
期、又は第１の燃焼が行われるときに凹溝４ａ内壁面の
温度をライデンフロスト温度ＴＬよりも低い目標温度に
維持すればよいことになる。

【００２４】しかしながら、凹溝４ａ内壁面の温度Ｔを
短時間のうちに正確に制御するのは困難である。そこで
本発明による実施例では、第１の燃焼が行われるか第２
の燃焼が行われるかに関わらず、いずれの行程にあるか
に関わらず、凹溝４ａ内壁面の温度をライデンフロスト
温度ＴＬよりも低い目標温度に維持するようにしてい
る。

【００２５】図４は冷却オイルポンプ１２の吐出圧を制
御するためのルーチンを示している。このルーチンは予
め定められた設定時間毎の割り込みによって実行され
る。

【００２６】図４を参照すると、まず初めにステップ１
００では温度センサ３８により検出された凹溝４ａ内壁
面の温度Ｔが読み込まれる。続くステップ１０１では凹
溝４ａ内壁面の温度Ｔが目標温度ＴＴよりも高いか否か
が判別される。Ｔ＞ＴＴのときには次いでステップ１０
２に進み、冷却オイルポンプ１２の吐出圧の目標値Ｐが
一定値ΔＰだけ増大される。これに対し、Ｔ≦ＴＴのと
きには次いでステップ１０３に進み、冷却オイルポンプ
１２の吐出圧の目標値Ｐが一定値ΔＰだけ低下される。
続くステップ１０４では吐出圧がその目標値Ｐになるよ
うに冷却オイルポンプ１２が制御される。

【００２７】次に、本発明による別の実施例を説明す
る。

【００２８】凹溝４ａの内壁面の温度Ｔは機関運転状
態、例えば機関負荷Ｌ及び機関回転数Ｎに依存する。そ
れであれば、凹溝４ａ内壁面の温度Ｔを目標温度ＴＴに
維持するのに必要な冷却オイルポンプ１２の吐出圧も機
関負荷Ｌ及び機関回転数Ｎに依存することになる。

【００２９】そこで本発明による別の実施例では、冷却
オイルポンプ１２の吐出圧の目標値Ｐを機関負荷Ｌ及び
機関回転数Ｎの関数として予め実験により求めて図５に
示されるマップの形で記憶しておき、この目標値Ｐにな
るように冷却オイルポンプ１２の吐出圧を制御してい
る。このようにすると温度センサを設ける必要がなくな
る。この場合、機関運転状態に基づいて凹溝４ａ内壁面
の温度を推定していると考えることもできる。

【００３０】図６は本発明の別の実施例による冷却オイ
ルポンプ１２の吐出圧を制御するためのルーチンを示し
ている。このルーチンは予め定められた設定時間毎の割
り込みによって実行される。

【００３１】図６を参照すると、まず初めにステップ１
１０では負荷センサ３９により検出された機関負荷Ｌ及
び回転数センサ４１により検出された機関回転数Ｎが読
み込まれる。続くステップ１１１では冷却オイルポンプ
１２の吐出圧の目標値Ｐが図５のマップから算出され
る。続くステップ１１２では吐出圧がその目標値Ｐにな
るように冷却オイルポンプ１２が制御される。

【００３２】これまで述べてきた本発明による実施例で
は、ピストン４に供給される冷却オイルの量を制御する
ことにより冷却オイルによる冷却度合いを制御するよう
にしている。しかしながら、この冷却度合いは当然、冷
却オイルの温度にも依存する。従って、冷却オイルの温
度に応じてピストン４に供給される冷却オイルの量を調
節するようにしてもよい。或いは、ピストン４に供給さ
れる冷却オイルの量を一定に維持しながら冷却オイルの
温度を制御することにより冷却オイルによる冷却度合い
を制御することもできる。

【００３３】

【発明の効果】ピストンの頂面に向けて噴射された液体
燃料を速やかに蒸発させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】内燃機関の全体図である。

【図２】第１及び第２の燃焼を説明するための図であ
る。

【図３】液体燃料の蒸発時間ｔＶを示す線図である。

【図４】冷却オイルポンプを制御するためのフローチャ
ートである。

【図５】冷却オイルポンプの吐出圧の目標値Ｐを示す線
図である。

【図６】本発明の別の実施例による冷却オイルポンプを
制御するためのフローチャートである。

【符号の説明】

１…機関本体 ４…ピストン ４ａ…凹溝 ６…燃料噴射弁 １０…冷却オイルノズル １２…冷却オイルポンプ ３８…温度センサ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピストンの頂面に向けて液体燃料を噴射
   するようにした内燃機関において、ピストン頂面の温度
   が燃料のライデンフロスト温度よりも低く維持されるよ
   うにピストン頂面の温度を制御するピストン温度制御装
   置。
2. 【請求項２】 ピストン頂面の温度を求めて該求められ
   た温度が燃料のライデンフロスト温度よりも低く設定さ
   れた目標温度に維持されるようにピストン頂面の温度を
   制御する請求項１に記載の内燃機関のピストン温度制御
   装置。