JP2004204843A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】冒頭に言及した形式の内燃機関において、できる限り長い時間にわたって良好な放出物質量値を達成し、燃焼の良好な品質を維持する。このとき内燃機関はできる限り低コストで組み立てられることが望ましい。
【解決手段】圧縮された吸入空気を冷却する冷却装置は少なくとも１つの熱交換器に接続されており、当該の熱交換器は、噴射装置へ供給される燃料、および／または噴射装置の組み込まれた領域、および／または噴射装置自体を冷却する。
【選択図】図１

Description

本発明は、吸入空気を圧縮する圧縮装置と、圧縮された吸入空気を冷却する冷却装置と、燃料を直接に燃焼室内へ噴射する噴射装置とを備えた内燃機関に関する。

このような内燃機関は独国特許出願公開第１００６５２６６号明細書から公知である。ここでは吸入空気がターボチャージャで圧縮され、続いてチャージ空気冷却装置で冷却され、燃焼室内へ直接に噴射される。

公知の内燃機関を噴射案内式の燃焼プロセスで駆動することが望ましい。こうした燃焼プロセスではインジェクタは燃焼室断面の中心に配置される。ただしこの場合時間が経つにつれて放出物質量が高まり、内燃機関の寿命のうちには燃焼の品質が劣化してしまうことがある。
独国特許出願公開第１００６５２６６号明細書

したがって本発明の課題は、冒頭に言及した形式の内燃機関において、できる限り長い時間にわたって良好な放出物質量値を達成し、燃焼の良好な品質を維持することである。このとき内燃機関はできる限り低コストで組み立てられることが望ましい。

この課題は、圧縮された吸入空気を冷却する冷却装置は少なくとも１つの熱交換器に接続されており、当該の熱交換器は、噴射装置へ供給される燃料、および／または噴射装置の組み込まれた領域、および／または噴射装置自体を冷却する構成により解決される。

本発明の内燃機関では、インジェクタ頂部の温度が比較的低温に維持される。これによりインジェクタ頂部に物質が蓄積する危険が低減される。このように物質が蓄積されると、インジェクタの噴射孔が目詰まりし、噴射の際に所望の形状の噴流の形成や所望の燃料量の調量が困難となる。本発明の内燃機関ではこうした物質の蓄積が阻止されるかまたは少なくとも遅延されることにより、インジェクタから噴射される燃料の噴流の最適な形成が長い時間にわたって保証される。燃料噴流が最適に構成されれば放出物質量および燃費も改善される。

インジェクタ頂部の冷却は本発明により特に簡単に行われる。すなわち、既存の冷却システムを用いて圧縮された吸入空気の冷却（チャージ空気冷却）を行い、これを少なくとも間接的にインジェクタの冷却に用いる。本発明によればインジェクタへ供給される燃料が冷却されるが、直接にインジェクタを冷却したり、またはインジェクタの組み込まれた領域の直接近傍を冷却したりしてもよい。

圧縮された吸入空気を冷却するための冷却装置を使用すると、一般的な内燃機関の冷却装置に比べて、吸入空気冷却システムで使用される冷却媒体の温度を比較的低くできるという利点がある。チャージ空気冷却装置における冷却媒体の温度は通常はほぼ４０℃〜５０℃であり、これに対して一般的な内燃機関の冷却水の温度は格段に高い温度レベルを有している。圧縮された吸入空気を冷却する冷却装置を用いてインジェクタ頂部を冷却する手法はきわめて効率的であり、しかもコスト上も有利である。なぜなら圧縮された吸入空気を冷却するための冷却装置は既に車両に設けられているからである。

本発明のインジェクタ頂部の冷却についての別の利点は、内燃機関が所定の駆動状態でノッキング燃焼を生じやすくなる傾向が低減されることである。このことは場合により行われるノッキング制御で考慮される。

本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

本発明の第１の有利な実施形態によれば、少なくとも１つの熱交換器は高圧燃料ポンプの下流の燃料管路に熱的に結合されている。燃料の温度はこの領域では圧縮のために高くなっているので、冷却の効率は高まる。

また、少なくとも１つの熱交換器を噴射装置へ接続された燃料蓄積管路に熱的に結合することもできる。直接噴射型の内燃機関には通常この種の燃料蓄積管路が設けられており、ふつう“レール”と称されている。こうした燃料蓄積管路は燃料を高圧で蓄積している。燃料蓄積管路の冷却は、そこに蓄積されている燃料が圧縮のためにまた機関ブロックからの熱伝導のために冷却装置の冷却媒体に比べて高温になっているので、熱的に特に有利である。したがってこの位置での冷却はきわめて効率的なものとなる。さらに燃料蓄積管路は一般に良好にアクセス可能であり、本発明における熱的結合も容易に実現される。さらに別の実施形態により、当該の熱交換器が燃料蓄積管路の壁内に冷却剤の流れる空間を含むように構成することもできる。

本発明の別の有利な実施形態によれば、少なくとも１つの熱交換器は噴射装置に組み込まれているシリンダヘッドに熱的に結合されている。この実施形態によれば、熱交換器は冷却媒体と冷却すべき領域とのあいだの高い温度勾配に基づいて効率的に動作する。

この実施形態では、当該の熱交換器がシリンダヘッド内の噴射装置の直接近傍に冷却剤の流れる空間を含むように構成することもできる。このとき冷却剤の流れる空間は通常のシリンダヘッドの冷却部に加えて設けてもよいし、当該の冷却空間のみを設けてもよい。

さらに別の有利な実施形態によれば、熱交換器の冷却能力を制御する調整装置が設けられている。これによりインジェクタ頂部の冷却を内燃機関のその時点での駆動条件へ最適に適合させることができる。

これは特に、調整装置を開制御および閉ループ制御装置に接続し、少なくとも１つの駆動パラメータの信号に依存して、および／または内燃機関の駆動状態に依存してこれを制御することにより良好に行うことができる。このようにすれば、インジェクタ頂部の所定の状況（例えば内燃機関のコールドスタート）でのウォームアップも考慮することができる。これにより混合気の調製が改善され、ＨＣ放出量が改善される。

さらに有利には、調整装置は回転数可変の電気式の冷却剤ポンプおよび／または駆動可能なバルブ装置を含む。このような調整装置は技術的に容易に構成でき、しかも安価である。また冷却装置の冷却能力をそのつどの駆動条件の要求に対して自発的に適合させることができる。

以下に添付図に示した本発明の内燃機関の実施例を詳細に説明する。

図１には内燃機関１０の全体が示されている。この内燃機関は図示されていない車両内で当該の車両を駆動するために用いられる。図１に示されているコンポーネントは内燃機関１０の駆動に必要なもの全てではなく、本発明の実施例に関連するもののみであることに注意されたい。

内燃機関１０は複数の燃焼室を有しており、そのうちの１つ、燃焼室１２のみが図１に示されている。燃焼用空気は吸入弁１４を介して燃焼室１２へ達する。燃焼した排気ガスは燃焼室１２から排出弁１６および排気管１８を介して放出される。吸入空気は吸気管２０を介して吸入弁１４へ達し、圧縮器２２で圧縮される。圧縮器２２は排気管１８内に配置されたタービン２４によって機械的に駆動される。圧縮器２２およびタービン２４から成るユニットは“ターボチャージャ”と称される。

圧縮器２２と吸入弁１４とのあいだで吸入空気は第１の熱交換器２６によって冷却される。この熱交換器には冷却剤が流れており、“チャージ空気冷却装置”または“インタークーラ”と称されている。この第１の熱交換器２６は冷却剤管路２８、３０を介して第２の熱交換器３２に接続されている。この第２の熱交換器により冷却剤と周囲空気とのあいだで熱が交換される。第１の熱交換器２６、第２の熱交換器３２、冷却剤管路２８、３０が冷却装置３３を形成している。

燃料はインジェクタ３４を介して燃焼室１２内へ噴射される。インジェクタはシリンダヘッド３６において燃焼室１２の断面の中央の位置に配置されている。燃焼室１２内へインジェクタ３４から直接に噴射された燃料はスパークプラグ３８によって点火される。図１に示されている内燃機関はガソリン内燃機関であるが、基本的にここに図示されているコンポーネントはディーゼル直接噴射型の内燃機関でも使用可能である。

インジェクタ３４は高圧燃料管路４０を介して燃料蓄積管路４２へ接続されている。この燃料蓄積管路は“レール”とも称される。燃料蓄積管路４２には内燃機関１０の別のシリンダのインジェクタも接続されている。燃料蓄積管路４２内では燃料がきわめて高い圧力で蓄積される。燃料は高圧燃料管路４０を介して高圧燃料ポンプ４６から燃料蓄積管路４２へ供給される。

高圧燃料ポンプ４６は図示されていない内燃機関１０のカムシャフトによって機械的に駆動される。この高圧燃料ポンプ４６は燃料を電気燃料ポンプ５０を備えた低圧燃料管路４８から受け取る。電気燃料ポンプ５０は“プレフィードポンプ”とも称される。電気燃料ポンプ５０は燃料タンク５２から燃料を圧送するものである。

高圧燃料ポンプ４６と燃料蓄積管路４２とのあいだの高圧燃料管路４４に第３の熱交換器５４が配置される。この第３の熱交換器は冷却剤管路５６および２８、さらに別の冷却剤管路５８および３０を介して第２の熱交換器３２へ接続されている。

内燃機関１０は第２の熱交換器３２および第３の熱交換器５４の冷却能力を制御する調整装置６０を有している。ここで調整装置６０は開制御および閉ループ制御装置６２に接続されており、この開制御および閉ループ制御装置はセンサ６４ａ、６４ｂ、６４ｃの信号を受け取る。これらのセンサにより内燃機関１０の駆動にとって重要な駆動パラメータが検出され、開制御および閉ループ制御装置６０はこれらの信号から内燃機関１０の駆動状態を知ることができる。この点について以下に詳しく述べる。

図２から見て取れるように、調整装置６０はエレクトロモータ６８によって駆動される冷却剤ポンプ６６を有している。冷却剤ポンプ６６は第２の熱交換器３２に通じる冷却剤管路２８に配置されている。エレクトロモータ６８は開制御および閉ループ制御装置によってその回転数が制御されて駆動される。

第１の熱交換器（インタークーラ）２６へ通じる冷却剤管路２８には第１の比例制御弁７０が配置されている。この比例制御弁は開制御および閉ループ制御装置６２によって駆動され、第１の熱交換器２６を通る冷却剤流を滑らかに調整する。これと同様に第３の熱交換器５４へ通じる冷却剤管路５６には第２の比例制御弁７２が配置されており、これも同様に開制御および閉ループ制御装置６２によって駆動される。第２の比例制御弁７２により第３の熱交換器５４を通る冷却剤流も滑らかに調整される。エレクトロモータ６８を備えた冷却剤ポンプ６６および第１の比例制御弁７０、第２の比例制御弁７２が調整装置６０を形成している。

内燃機関１０は次のように動作する。

圧縮器２２によって圧縮された吸入空気は第１の熱交換器２６内でこれを通る冷却剤（例えば冷却水）によって冷却される。こうして冷却された圧縮空気は燃焼室１２へ達する。インジェクタ３４による燃料噴射により燃焼室１２内で燃料空気混合気が形成され、スパークプラグ３８により点火される。

第１の熱交換器２６での熱交換により冷却剤は加熱される。冷却剤管路３０を介して、熱くなった冷却剤が第２の熱交換器３２へ供給される。この第２の熱交換器３２には周囲空気が流れている。これにより冷却剤が冷却される。通常、冷却剤の温度レベルは第２の熱交換器３２を出る時点で約４０℃〜５０℃である。

冷却剤管路５６および第２の比例制御弁７２を介して、冷却剤は燃料蓄積管路４２と高圧燃料ポンプ４６とのあいだの高圧燃料管路４４に配置された第３の熱交換器５４へ達する。この第３の熱交換器５４には一方では冷却剤が流れており、他方では高圧燃料ポンプ４６によってきわめて高い圧力で圧縮された燃料が流れている。熱伝導と圧縮とのためにこの領域を流れる燃料は高温となっている。約４０℃〜５０℃の冷却媒体で冷却することにより、第３の熱交換器５４内で燃料の温度は効果的に低減される。

相応して第３の熱交換器５４の下流の温度、すなわち燃料蓄積管路４２の温度やインジェクタ３４の温度も低くなる。こうした温度低下により燃焼室１２内へ突出したインジェクタ頂部が比較的低い温度に維持される。これによりインジェクタ頂部、特にインジェクタ３４の噴射孔に物質が蓄積してしまう危険が低減される。これは特に燃焼室１２内の温度負荷の高い位置に配置されているインジェクタ３４にとって有利である。

各比例制御弁７０、７２および回転数の調整可能なポンプ６６を用いて、一方では圧縮された吸入空気を第１の熱交換器２６を通して冷却することにより、また他方ではインジェクタ３４の燃料を第３の熱交換器５４を通して冷却することにより、内燃機関１０のそのつどの駆動状態に対して最適な冷却効果を得ることができる。こうして例えばインジェクタ３４の冷却を内燃機関１０の上方の部分負荷の領域でのみ行うように設定することができる。

またコールドスタートの直後に燃料を加熱することにより内燃機関１０のＨＣ放出量を低減することもできる。これは加熱された燃料がインジェクタ３４から噴射されると排気ガス特性が改善されるという知識に基づいている。吸入空気（チャージ空気）の冷却も内燃機関１０の駆動特性に適合させることができる。ここでも同様に内燃機関１０の部分負荷駆動において吸入空気が加熱され、付加的なスロットル開放が得られる。これに対して負荷が大きい場合には吸入空気が冷却され、ノッキング傾向を小さくしてシリンダ充填率を高めることができる。

図３には内燃機関１０の第２の実施例が示されている。ここでは図１、図２の実施例に則して説明したものに相応するコンポーネントおよび領域は改めて説明ない。

図１、図２の実施例に対して、図３の実施例の内燃機関１０では、最終的にインジェクタ３４を冷却する第３の熱交換器５４が熱的に直接に燃料蓄積管路４２に結合されている。図４、図５から見て取れるように、ここでは燃料蓄積管路４２の長さ全体にわたってその周囲壁７４の約半周分延在するように冷却剤の流れる空間７６が設けられており、この空間を第２の熱交換器３２から来る冷却剤７７が通る。

このようにして燃料蓄積管路４２およびこのなかに蓄積されている燃料７９が燃料蓄積管路４２からインジェクタ３４へ達する直前に冷却される。図３、図４には燃料蓄積管路４２に設けられた圧力制限弁７８と、燃料蓄積管路４２内の燃料圧を検出する圧力センサ８０とが示されている。これら２つのコンポーネントは図示しない線路を介して開制御および閉ループ制御装置６２へ接続されており、燃料蓄積管路４２における所望の燃料圧を正確に形成する。

さらに別の実施例が図６、図７に示されている。ここでも前出の実施例に相応するコンポーネントおよび領域は改めて説明しない。

図６に示されている内燃機関１０では、インジェクタ３４の直接近傍に設けられた冷却剤の流れる空間７６を冷却流体７７が通っている。この冷却剤の流れる空間７６はシリンダヘッド３６内に配置されている。これによりシリンダヘッド３６が冷却される。特に図７から明らかなように、インジェクタはシリンダヘッド３６内の縦孔８２に固定されている。冷却剤の流れる空間７６は燃焼室１２に対してテフロンリング８４によって密閉されている。外部の周囲へ向かってもこの冷却剤の流れる空間７６は同様にテフロンリング８６によって密閉されている。

冷却剤の流れる空間７６は内燃機関１０のその他の機関ブロックの冷却とは独立に用いられることを指摘しておく（図６、図７では特に表現されていない）。また図６、図７に示されている内燃機関１０には比例制御弁は設けられていない。したがって第２の熱交換器３２および第３の熱交換器５４の冷却能力はほぼ制御できない。しかし基本的に図６、図７に示されている実施例においても、前述の実施例に則して説明したのと同様に冷却能力を相応に調整することもできる。

燃料を冷却する冷却装置を備えた内燃機関の第１の実施例を示す図である。

図１の冷却装置の詳細図である。

燃料蓄積管路を冷却する冷却装置を備えた内燃機関の第２の実施例を示す図である。

図３の燃料蓄積管路の詳細図である。

図４のＶ−Ｖ線で切断した断面図である。

シリンダヘッド内のインジェクタの直接近傍の領域を冷却する冷却装置を備えた内燃機関の第３の実施例を示す図である。

図６のシリンダヘッド内のインジェクタの直接近傍の領域を示す図である。

符号の説明

１０ 内燃機関
１２ 燃焼室
１４ 吸入弁
１６ 排出弁
１８ 排気管
２０ 吸気管
２２ 圧縮器
２４ タービン
２６、３２、５４ 熱交換器
２８、３０、５６、５８ 冷却剤管路
３３ 冷却装置
３４ インジェクタ
３６ シリンダヘッド
３８ スパークプラグ
４０、４４ 高圧燃料管路
４６ 高圧燃料ポンプ
４２ 燃料蓄積管路（レール）
４８ 低圧燃料管路
５０ 燃料ポンプ
５２ 燃料タンク
６０ 調整装置
６２ 開制御および閉ループ制御装置
６４ａ、６４ｂ、６４ｃ センサ
６６ 冷却剤ポンプ
６８ エレクトロモータ
７０、７２ 比例制御弁

Claims (9)

1. 吸入空気を圧縮する圧縮装置（２２）と、圧縮された吸入空気を冷却する冷却装置（３３）と、燃料を直接に燃焼室（１２）内へ噴射する噴射装置（３４）とを備えた内燃機関（１０）において、
   圧縮された吸入空気を冷却する冷却装置（３３）は少なくとも１つの熱交換器（５４）に接続されており、
   当該の熱交換器は、噴射装置（３４）へ供給される燃料、および／または噴射装置（３４）の組み込まれた領域（８２）、および／または噴射装置（３４）自体を冷却する
   ことを特徴とする内燃機関。
2. 少なくとも１つの熱交換器（５４）は高圧ポンプ（４６）の下流の燃料管路（４４）に熱的に結合されている、請求項１記載の内燃機関。
3. 少なくとも１つの熱交換器（５４）は噴射装置（３４）へ接続された燃料蓄積管路（４２）に熱的に結合されている、請求項１記載の内燃機関。
4. 当該の熱交換器（５４）は燃料蓄積管路（４２）の壁（７４）内に冷却剤（７７）の流れる空間（７６）を含む、請求項３記載の内燃機関。
5. 少なくとも１つの熱交換器（５４）は噴射装置（３４）に組み込まれているシリンダヘッド（３６）に熱的に結合されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の内燃機関。
6. 当該の熱交換器（５４）はシリンダヘッド（３６）内の噴射装置（３４）の直接近傍に冷却剤（７７）の流れる空間（７６）を含む、請求項５記載の内燃機関。
7. 熱交換器（５４）の冷却能力を制御する調整装置（６０）が設けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載の内燃機関。
8. 調整装置（６０）は開制御および閉ループ制御装置（６２）に接続されており、少なくとも１つの駆動パラメータの信号および／または内燃機関（１０）の駆動状態に依存して制御される、請求項７記載の内燃機関。
9. 調整装置（６０）は回転数可変の電気式の冷却剤ポンプ（６６、６８）および／または駆動可能なバルブ装置（７２）を含む、請求項８記載の内燃機関。

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