JP2006125308A - 内燃機関の温度調整装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 排気ガスから回収される熱量を広い範囲でコントロールできる内燃機関の温度調整装置を提供する。
【解決手段】 エンジンの温度調整装置は、内壁２２に囲まれた位置に形成され、排気が流れる排気ポート３１と、排気ポート３１内に設けられたバルブ５１と、内壁２２に形成され、バルブ５１に対して排気ポート３１に流れる排気の下流側に位置するフィン３５と、バルブ５１に接続され、バルブ５１の開閉を制御するアクチュエータとを備える。バルブ５１を閉じる側に制御すると、バルブ５１を開いた状態と比較して、内壁２２に沿って流れる排気の流速が小さくなり、内壁２２から離れた位置を流れる排気の流速が大きくなる。バルブ５１は、閉じられた状態で内壁２２に沿って延在するリング形状を有する。
【選択図】 図３

Description

この発明は、一般的には、内燃機関の温度調整装置に関し、より特定的には、排気ポート内にバルブが設けられた内燃機関の温度調整装置に関する。

従来の内燃機関の温度調整装置に関して、たとえば、特開平１０−３１７９９５号公報には、内燃機関の負荷を過大に上昇させることなく暖機を促進させ、結果、燃費を向上させることを目的とした暖機促進装置が開示されている（特許文献１）。特許文献１に開示された暖機促進装置では、ディーゼルエンジンの排気ポートに、排気絞り弁が設けられている。排気ポートの周りには、排気絞り弁が設けられた位置に対応して、冷却水路が形成されている。排気絞り弁を閉じると、排気ポートに流れる排気ガスに圧力損失が生じ、排気絞り弁を設けた位置で発熱が生じる。その熱の多くは、冷却水路に流れる冷却水によって回収されるため、エンジンの暖機を促進させることができる。

また、特許文献１に開示された別の暖機促進装置では、さらに、排気ポートの内表面が、フィン形状に形成されている。
特開平１０−３１７９９５号公報

内燃機関で排出される排気ガスの熱は、内燃機関の暖機や、ヒーターを用いた暖房等に使用されている。上述の特許文献１では、排気ポート内に排気絞り弁を設けることで、排気ガスの熱を効率良く冷却水に回収し、これらに使用する熱量を増大させている。

その一方で、排気ガスの熱は、排気ガスを浄化する触媒の暖機にも使用されている。内燃機関の始動時に、触媒による浄化作用を十分に発揮させるためには、触媒を早期に暖機させなければならない。しかし、冷却水に回収される熱量が増えれば、それだけ触媒に供給される熱量が減る。特許文献１に開示された暖機促進装置では、排気絞り弁を開いた状態に制御しても、ある程度の熱量が冷却水に回収されてしまうため、触媒の暖機が遅れるおそれがある。このように、内燃機関で排出される排気ガスの熱エネルギを、その時々の目的に対応して有効に利用するためには、排気ガスから冷却水に回収される熱量を、より広い範囲で増減させる必要がある。

そこでこの発明は、上記の課題を解決することであり、排気ガスから回収される熱量を広い範囲でコントロールできる内燃機関の温度調整装置を提供することである。

この発明に従った内燃機関の温度調整装置は、内壁に囲まれた位置に形成され、排気が流れる排気ポートと、排気ポート内に設けられたバルブと、内壁に形成され、バルブに対して排気ポートに流れる排気の下流側に位置するフィンと、バルブに接続され、バルブの開閉を制御するアクチュエータとを備える。バルブを閉じる側に制御すると、バルブを開いた状態と比較して、内壁に沿って流れる排気の流速が小さくなり、内壁から離れた位置を流れる排気の流速が大きくなる。

なお、バルブを開いた状態とは、バルブが排気の流れに与える影響が最も小さくなる状態を指す。また、バルブを閉じる側に制御するとは、バルブが排気の流れに与える影響が大きくなる方向にバルブを制御することを指す。バルブは、バルブの開閉にかかわらず排気ポート内に位置して設けられている。このため、排気ポートから内燃機関の燃焼室にまで延びて形成され、これらの間を開閉するために設けられた排気バルブと、本発明におけるバルブとは、異なる。

このように構成された内燃機関の温度調整装置によれば、バルブを閉じる側に制御すると、内壁に沿って流れる排気の流速が小さくなるため、排気から内壁を介して内燃機関に回収する熱量を、積極的に小さく抑えることができる。また、バルブを開いた状態では、排気が、バルブから受ける影響を小さくして排気ポート内を流れるため、排気の流速が、内壁に沿った位置で大きくなる。加えて、内壁には、フィンが形成されているため、排気の流速が大きくなった位置で、熱伝達率が大きくなる。このため、排気から内壁を介して内燃機関に回収する熱量を、積極的に増大させることができる。したがって、本発明によれば、バルブの開閉を適当なタイミングで行なうことにより、排気から内燃機関に回収する熱量を、その熱の利用目的に合わせて幅広くコントロールすることができる。

また好ましくは、バルブは、閉じられた状態で内壁に沿って延在するリング形状を有する。このように構成された内燃機関の温度調整装置によれば、閉じた状態とされたバルブによって、排気の流れが、内壁に沿った位置で妨げられ、リング形状の開口位置、つまり、内壁から離れた位置に集中する。このため、バルブを閉じる側に制御した時に、排気の流速分布を、所望の状態に効果的に変化させることができる。

また、排気ポートには、バルブに対して排気ポートに流れる排気の下流側に位置して、触媒が接続されている。好ましくは、アクチュエータは、内燃機関の始動時から所定の期間、バルブを閉じる側に制御する。このように構成された内燃機関の温度調整装置によれば、排気から内燃機関に回収する熱量を小さく抑えることで、触媒に供給する熱量を大きくすることができる。これにより、触媒の暖機を早め、内燃機関の始動直後のエミッション性能を向上させることができる。

また、内燃機関の温度調整装置は、内壁を挟んで排気ポートに隣り合う位置に設けられたウォータジャケットをさらに備える。好ましくは、ウォータジャケットに流れる冷却水から廃熱回収を積極的に行なう時、アクチュエータは、バルブを開いた状態に制御する。このように構成された内燃機関の温度調整装置によれば、冷却水を介して行なう廃熱回収を積極的に行なうため、排気から内燃機関に回収する熱量を大きくすることができる。

また好ましくは、廃熱回収を積極的に行なう時は、内燃機関の暖機途上の間を含む。なお、暖機途上の間とは、冷却水が、一定推移する所定の温度まで上昇するまでの間を指す。このように構成された内燃機関の温度調整装置によれば、内燃機関を暖めて早期に適温にすることで、燃費を向上させることができる。また、冷却水と熱交換を行なうヒーターの暖房性能を、早期に確保することができる。

また好ましくは、廃熱回収を積極的に行なう時は、暖房要求が高い時を含む。このように構成された内燃機関の温度調整装置によれば、冷寒地にある場合等、暖房要求が高い場合に、ヒーターの暖房性能を十分に向上させることができる。

以上説明したように、この発明に従えば、排気ガスから回収される熱量を広い範囲でコントロールできる内燃機関の温度調整装置を提供することができる。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、この発明の実施の形態における温度調整装置が搭載されたエンジンの冷却系を示す斜視図である。図１を参照して、車両用のエンジン１０は、シリンダヘッド１１を備える。シリンダヘッド１１には、エンジン１０の吸気ポートや排気ポートの周りを通って延びるウォータジャケットが、シリンダブロックとの間に渡って形成されている。そのウォータジャケットは、ホースを介してラジエータ１３に接続されている。ウォータジャケットには、ラジエータ１３から冷却水が供給され、その冷却水は、エンジン１０を冷却する。冷却によって温度が上昇した冷却水は、その一部が図示しないヒーターに導かれ、残る部分がラジエータ１３に戻される。

図２は、バルブを開いた状態に制御した時の、図１中のエンジンに搭載された温度調整装置を示す断面図である。図３は、バルブを閉じた状態に制御した時の温度調整装置を示す断面図である。図２および図３を参照して、本実施の形態における温度調整装置は、シリンダヘッド１１に形成された排気ポート３１と、排気ポート３１に隣り合ってシリンダヘッド１１に形成され、その内部に冷却水が循環されるウォータジャケット２３および２４と、排気ポート３１内に設けられたバルブ５１と、バルブ５１を、図２および図３のそれぞれに示す開閉状態へと制御する図示しないアクチュエータとを備える。排気ポート３１内には、さらに、フィン３５が形成されている。

シリンダヘッド１１には、シリンダブロックのシリンダから延びて形成された燃焼室２５と、それぞれ異なる方向から燃焼室２５に連通する吸気ポート２６および排気ポート３１とが設けられている。排気ポート３１は、シリンダヘッド１１の内壁２２に囲まれた位置に形成されている。吸気ポート２６および排気ポート３１には、燃焼室２５とそれぞれのポートとの間を開閉する吸気バルブ２７および排気バルブ２８が設けられている。吸気バルブ２７および排気バルブ２８は、それぞれが設けられたポートから燃焼室２５の内部にまで延びて形成されている。

排気ポート３１は、燃焼室２５に連なる一方端３１ｍと、シリンダヘッド１１に取り付けられた図示しないエキゾーストマニホールドへと連なる他方端３１ｎとを有する。排気ポート３１は、まず、一方端３１ｍから排気バルブ２８が延びる方向とほぼ同じ方向へと延び、さらに、吸気ポート２６から離れる方向に曲りながら他方端３１ｎに向けて延びている。排気ポート３１内には、エンジン１０の排気行程時に燃焼室２５から排出された排気ガスが、一方端３１ｍから他方端３１ｎに向けて流れる。

シリンダヘッド１１には、排気ポート３１の上下に位置して、相対的に小さい断面形状を有するウォータジャケット２４と、相対的に大きい断面形状を有するウォータジャケット２３とがそれぞれ形成されている。これらのウォータジャケットには、冷却水が強制循環されており、その冷却水によって、排気ポート３１内に流れる排気ガスの熱が回収される。

バルブ５１は、ウォータジャケット２４とウォータジャケット２３とに挟まれた排気ポート３１内の位置よりも、排気ガスが流れる方向の上流側、つまり、一方端３１ｍに寄った位置に設けられている。フィン３５は、内壁２２から突出するように形成されている。フィン３５は、バルブ５１に対して、排気ガスが流れる方向のすぐ下流に位置して形成されている。フィン３５は、ウォータジャケット２４とウォータジャケット２３とに挟まれた位置で、排気ガスの流れる方向に沿って延びている。排気ポート３１内には、内壁２２からの距離が相対的に小さい位置に形成され、内壁２２に沿って存在する周縁空間３６と、内壁２２からの距離が相対的に大きい位置に形成され、周縁空間３６の内側に存在する中心空間３７とが規定されている。

図４は、図２中のＩＶ−ＩＶ線上に沿った温度調整装置の断面図である。図５は、図３中のＶ−Ｖ線上に沿った温度調整装置の断面図である。図中に示す断面は、排気ガスの流れる方向に直交する平面で、排気ポート３１を切断して得られる断面である。図４および図５を参照して、排気ポート３１は、略円形の断面形状を有する。フィン３５は、内壁２２の周方向に沿って、所定の角度ごとに複数、形成されている。

排気ポート３１が有する略円形の断面形状のほぼ中心を通るように、回転軸１０２が延びている。バルブ５１は、回転軸１０２に沿って延びる弁軸５２と、弁軸５２に形成された弁体５３とから構成されている。弁体５３は、リング状に形成されており、内壁２２から離れた位置に開口部５３ａを有する。弁軸５２は、軸受け部材５４を介してシリンダヘッド１１に支持されており、回転軸１０２を中心に回転自在に設けられている。弁体５３は、図３および図５中に示すバルブ５１を閉じた状態で、内壁２２に沿って延在している。弁体５３は、排気ガスの流れる方向に見て、開口部５３ａとフィン３５とがずれて位置するように形成されている。弁体５３は、排気ガスの流れる方向に見て、フィン３５と重なるように形成されている。

図６は、図４および図５中のバルブを開閉駆動させるためのアクチュエータを示す模式図である。図６を参照して、バルブ５１は、吸気ポート２６に生じる負圧を作動源とするアクチュエータ４０に接続されている。アクチュエータ４０は、弾性を有するダイヤフラム４５が設けられたハウジング４１と、ダイヤフラム４５と弁軸５２とを連結するロッド４６とを備える。ハウジング４１内には、ダイヤフラム４５を挟んで、大気圧室４２と負圧室４３とが区画形成されている。

大気圧室４２は、ハウジング４１外に連通して形成されている。ロッド４６は、ダイヤフラム４５から大気圧室４２側へと延び、弁軸５２に向かっている。負圧室４３には、そのロッド４６が延びる方向に弾性力を有するコイルバネ４４が設けられている。負圧室４３は、吸気通路を介して吸気ポート２６に接続されている。アクチュエータ４０は、その吸気通路上に位置して設けられたバキュームタンク４８をさらに備える。バキュームタンク４８と負圧室４３との間、バキュームタンク４８と吸気ポート２６との間には、それぞれ、スイッチングバルブ４７およびチェック弁４９が設けられている。

吸気ポート２６に発生する負圧は、まずバキュームタンク４８に蓄圧される。その状態で、スイッチングバルブ４７を開いてバキュームタンク４８と負圧室４３との間を連通させると、バキュームタンク４８内の負圧に基づき、負圧室４３からバキュームタンク４８へと空気が流れ込む。これにより、ダイヤフラム４５は、コイルバネ４４の弾性力に抗して変形し、ロッド４６を負圧室４３側へと移動させる。また、スイッチングバルブ４７を閉じた場合には、バキュームタンク４８と負圧室４３との間が遮断される。これにより、ダイヤフラム４５は、コイルバネ４４の弾性力によって元の形状に戻り、ロッド４６を負圧室４３側から引き離す方向へと移動させる。

アクチュエータ４０では、このような構成によってロッド４６を移動させ、その移動を弁軸５２の回転運動に変換してバルブ５１を開閉駆動させる。なお、以上に説明したアクチュエータ４０のほか、弁軸５２に直接、直流モータやステッピングモータを接続して、アクチュエータを構成しても良い。

続いて、バルブ５１の開閉駆動と、排気ガスから冷却水に回収される熱量との関係について、説明を行なう。図２および図４を参照して、バルブ５１を開いた状態では、弁体５３が、排気ガスの流れる方向に沿って延在するように位置決めされる。このとき、排気ガスの流れは、バルブ５１から影響を受けないため、内壁２２に沿った周縁空間３６で、排気ガスの流速が、後に説明するバルブ５１を閉じた状態と比較して、大きくなる。また、内壁２２には、フィン３５が形成されているため、排気ガスの熱を受ける受熱面積が、内壁２２の表面積にフィン３５の表面積を加えた大きさとなる。したがって、排気ガスからウォータジャケット２３および２４内の冷却水への熱伝達が、促進され、より多くの熱量が冷却水に回収される。また、排気ガスは、弁体５３によって妨げられることなく排気ポート３１内を流れるため、通常のエンジンと同様の排気圧損を得ることができる。

図３および図５を参照して、一方、バルブ５１を閉じた状態では、弁軸５２が回転することによって、弁体５３が、排気ガスの流れる方向に直交する方向に延在するように位置決めされる。このとき、排気ガスの流れは、弁体５３によって、内壁２２に沿った周縁空間３６で妨げられる。そして、排気ガスは、開口部５３ａから、内壁２２から離れた位置に形成された中心空間３７へと流れ込む。

これにより、排気ガスの流速分布は、周縁空間３６で小さくなり、中心空間３７で大きくなるように変化する。このため、排気ガスからウォータジャケット２３および２４内の冷却水への熱伝達が抑制され、冷却水に回収される熱量が小さくなる。なお、排気ガスの熱は、シリンダヘッド１１の内壁２２から冷却水へと伝わるほか、排気ガスの流れの中に配置されたバルブ５１から、軸受け部材５４およびシリンダヘッド１１を順に介して、冷却水へと伝わる。

本実施の形態では、バルブ５１を閉じた状態で、フィン３５が、排気ガスの流れる方向に見て弁体５３に重なるように形成されている。このため、排気ポート３１内を流れる排気ガスとフィン３５との接触が抑制され、バルブ５１を閉じている時に、排気ガスから冷却水に回収される熱量が増大することを防止できる。

続いて、バルブ制御のタイミングを説明するため、図１中のエンジン１０に接続される触媒について、簡単な説明を行なう。図７は、図１中のエンジンのエキゾースト系を示す斜視図である。図７を参照して、エンジン１０には、シリンダヘッド１１に形成された排気ポートに連通するように、エキゾーストマニホールド６１が接続されている。エキゾーストマニホールド６１からマフラーへと延びる排気経路上には、三元触媒６２が２箇所に設けられている。

図８は、本実施の形態における温度調整装置のバルブ制御のタイミングを示す図である。図８を参照して、まず、エンジン１０の始動初期には、バルブ５１を閉じた状態に制御することで、冷却水に回収される熱量を低く抑え、排気ガスの温度を上昇させる。これにより、図７中の三元触媒６２が早期に暖機され、エンジン始動時のエミッション性能の向上を図ることができる。

次に、暖機中には、バルブ５１を開いた状態に制御する。これにより、ヒーターに送られる冷却水の温度を短時間で上昇させ、暖房性能を早期に向上させることができる。暖機が完了した後は、バルブ５１を開いた状態に保持する。これにより、エンジン１０が搭載された車両が寒冷地を走行している場合などの暖房性能を確保するとともに、排気効率を維持することで、エンジン１０の性能が損なわれることを防止する。また、エンジン１０が高負荷時にある場合には、バルブ５１を閉じた状態に制御すれば良い。これにより、冷却水の温度上昇を抑え、ラジエータの冷却ファンが頻繁に駆動することを防止できる。なお、以上に説明したバルブ制御のタイミングは、一例であり、その時々の状況に応じて適当な制御を行なうことが可能である。

この発明の実施の形態における内燃機関としてのエンジン１０の温度調整装置は、内壁２２に囲まれた位置に形成され、排気が流れる排気ポート３１と、排気ポート３１内に設けられたバルブ５１と、内壁２２に形成され、バルブ５１に対して排気ポート３１に流れる排気の下流側に位置するフィン３５と、バルブ５１に接続され、バルブ５１の開閉を制御するアクチュエータ４０とを備える。バルブ５１を閉じる側に制御すると、バルブ５１を開いた状態と比較して、内壁２２に沿って流れる排気の流速が小さくなり、内壁２２から離れた位置を流れる排気の流速が大きくなる。

バルブ５１は、閉じられた状態で内壁２２に沿って延在するリング形状を有する。バルブ５１が閉じられた状態で、フィン３５は、排気の流れる方向に見てバルブ５１に重なる位置に形成されている。なお、バルブ５１の形状は、図５に示す形状に限定されず、排気の流速分布を上記の状態に変化させることが可能な他の形状であっても良い。

エンジン１０の温度調整装置は、内壁２２を挟んで排気ポート３１に隣り合う位置に設けられたウォータジャケット２３および２４をさらに備える。バルブ５１は、ウォータジャケット２３および２４に対して排気ポート３１に流れる排気の上流側に配置されている。フィン３５は、排気ポート３１内に流れる排気の流れ方向において、ウォータジャケット２３および２４に対応する位置に設けられている。

このように構成された、この発明の実施の形態におけるエンジン１０の温度調整装置によれば、バルブ５１を閉じた状態に制御することにより、ウォータジャケット２３および２４内の冷却水に回収される熱量を、積極的に小さくすることができる。このため、三元触媒６２の暖機時間の大幅な短縮化を図ることができ、排気ガスの浄化作用が早期に確保されるエンジン１０を実現することができる。また、バルブ５１を開いた状態に制御することにより、排気ガスから冷却水へと回収される熱量を増大させ、冷却水を介して行なう廃熱利用を促進させることができる。

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特許請求の範囲によって示され、特許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。

この発明の実施の形態における温度調整装置が搭載されたエンジンの冷却系を示す斜視図である。 バルブを開いた状態に制御した時の、図１中のエンジンに搭載された温度調整装置を示す断面図である。 バルブを閉じた状態に制御した時の温度調整装置を示す断面図である。 図２中のＩＶ−ＩＶ線上に沿った温度調整装置の断面図である。 図３中のＶ−Ｖ線上に沿った温度調整装置の断面図である。 図４および図５中のバルブを開閉駆動させるためのアクチュエータを示す模式図である。 図１中のエンジンのエキゾースト系を示す斜視図である。 本実施の形態における温度調整装置のバルブ制御のタイミングを示す図である。

符号の説明

１０ エンジン、２２ 内壁、２３，２４ ウォータジャケット、３１ 排気ポート、３５ フィン、４０ アクチュエータ、５１ バルブ、６１ エキゾーストマニホールド、６２ 三元触媒。

Claims (6)

1. 内壁に囲まれた位置に形成され、排気が流れる排気ポートと、
   前記排気ポート内に設けられたバルブと、
   前記内壁に形成され、前記バルブに対して前記排気ポートに流れる排気の下流側に位置するフィンと、
   前記バルブに接続され、前記バルブの開閉を制御するアクチュエータとを備え、
   前記バルブを閉じる側に制御すると、前記バルブを開いた状態と比較して、前記内壁に沿って流れる排気の流速が小さくなり、前記内壁から離れた位置を流れる排気の流速が大きくなる、内燃機関の温度調整装置。
2. 前記バルブは、閉じられた状態で前記内壁に沿って延在するリング形状を有する、請求項１に記載の内燃機関の温度調整装置。
3. 前記排気ポートには、前記バルブに対して前記排気ポートに流れる排気の下流側に位置して、触媒が接続されており、
   前記アクチュエータは、内燃機関の始動時から所定の期間、前記バルブを閉じる側に制御する、請求項１または２に記載の内燃機関の温度調整装置。
4. 前記内壁を挟んで前記排気ポートに隣り合う位置に設けられたウォータジャケットをさらに備え、
   前記ウォータジャケットに流れる冷却水から廃熱回収を積極的に行なう時、前記アクチュエータは、前記バルブを開いた状態に制御する、請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関の温度調整装置。
5. 前記廃熱回収を積極的に行なう時は、内燃機関の暖機途上の間を含む、請求項４に記載の内燃機関の温度調整装置。
6. 前記廃熱回収を積極的に行なう時は、暖房要求が高い時を含む、請求項４または５に記載の内燃機関の温度調整装置。

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