JP2007187101A

JP2007187101A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2007187101A
Application number: JP2006006243A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Hoki; 雄介伯耆
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-01-13
Filing date: 2006-01-13
Publication date: 2007-07-26

Abstract

【課題】シリンダ内におけるスワール制御によりエンジン性能を向上させ得る内燃機関を提供すること。
【解決手段】この内燃機関１は、ピストン３と、ピストン３を収容するシリンダ２と、シリンダ２に接続される吸気ポート４および排気ポート５とを有する。また、内燃機関１は、蓄圧ガスのシリンダ側流路６４を介してシリンダ２に接続される蓄圧部６１と、シリンダ側流路６４からシリンダ２内に流入する蓄圧ガスの流れを調整する調整部６７とを含む。
【選択図】図１

Description

この発明は、内燃機関に関し、さらに詳しくは、シリンダ内におけるスワール制御によりエンジン性能を向上させ得る内燃機関に関する。

内燃機関では、吸気ポートからシリンダ内に導入された吸気により、シリンダの内壁面に沿って渦流（スワール）が形成される。近年の内燃機関では、かかるスワールの制御によりエンジンの燃焼効率の向上が図られている。

なお、この出願にかかる発明に関連する従来の内燃機関には、特許文献１に記載される技術が知られている。従来の内燃機関（ターボチャージャを備えたエンジンの吸気制御装置）は、エンジンの排気マニフォルドにタービンを設け、該タービンで駆動されるコンプレッサを吸気マニフォルドに連通したターボチャージャを備えたエンジンの吸気装置において、前記コンプレッサからの管路にバイパス管を設け、このバイパス管に電磁弁と蓄圧タンクとレギュレータバルブとを直列に接続し、前記管路と前記バイパス管の合流点には方向切換弁を設け、この方向切換弁の下流側は管路を介して前記吸気マニフォルドに接続し、蓄圧タンク内のタンク圧と前記管路の前記バイパス管との合流点よりもコンプレッサ側の圧力と前記方向切換弁の下流側の管路の圧力とを検出する圧力センサを設け、これ等の圧力センサからの信号に基づき電磁弁、レギュレータバルブ、又は方向切換弁を制御する制御装置を備えたことを特徴とする。

特開平８−２６０９９１号公報

この発明は、シリンダ内におけるスワール制御によりエンジン性能を向上させ得る内燃機関を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、この発明にかかる内燃機関は、ピストンと、前記ピストンを収容するシリンダと、前記シリンダに接続される吸気ポートおよび排気ポートとを有する内燃機関であって、蓄圧ガスの流路（以下、シリンダ側流路という。）を介して前記シリンダに接続される蓄圧部と、前記シリンダ側流路から前記シリンダ内に流入する蓄圧ガスの流れを調整する調整部とを含むことを特徴とする。

この内燃機関では、蓄圧部からシリンダに蓄圧ガスが供給され、この蓄圧ガスの流れ（流れ方向や指向性など）が調整部により調整される。これにより、シリンダ内におけるスワールが適正化されて、エンジン性能（例えば、始動性能や加速性能）が向上する利点がある。

また、この発明にかかる内燃機関では、前記調整部が可動ノズルにより構成されると共に、前記可動ノズルの姿勢制御により蓄圧ガスの流れが調整される。

この内燃機関では、スワール制御部の調整部が可動ノズルにより構成され、この可動ノズルの姿勢制御により蓄圧ガスの流れ（シリンダ内への吹き出し方向）が調整されるので、簡素な構成にてシリンダ内のスワールを制御できる利点がある。

また、この発明にかかる内燃機関では、前記調整部が前記シリンダ側流路を開閉するシリンダ側バルブにより構成されると共に、前記シリンダ側バルブの開度制御により前記シリンダ内に導入される蓄圧ガスの流れが調整される。

この内燃機関では、スワール制御部の調整部がシリンダ側バルブにより構成され、シリンダ側バルブの開度制御によりシリンダ内に導入される蓄圧ガスの流れが調整されるので、簡素な構成にてシリンダ内のスワールを制御できる利点がある。

また、この発明にかかる内燃機関では、エンジンの回転数Ｎｅが所定の閾値よりも低いとき若しくはエンジンの負荷Ｑが所定の閾値よりも高いときに、前記調整部が蓄圧ガスの流れを調整して前記シリンダ内のスワールを増強させる。

この内燃機関では、エンジンの回転数Ｎｅおよびエンジンの負荷Ｑの少なくとも一方に応じてシリンダ内のスワールが適正化される。これにより、エンジン性能がより効果的に向上する利点がある。

また、この発明にかかる内燃機関では、エンジンの吸気温度Ｔａが所定の閾値よりも低いとき若しくはエンジンの冷却水温度Ｔｗが所定の閾値よりも低いときに、前記調整部が蓄圧ガスの流れを調整して前記シリンダ内のスワールを減弱させる。

この内燃機関では、エンジンの吸気温度Ｔａおよびエンジンの冷却水温度Ｔｗの少なくとも一方に応じてシリンダ内のスワールが適正化される。これにより、エンジン性能がより効果的に向上する利点がある。

また、この発明にかかる内燃機関では、ピストンと、前記ピストンを収容するシリンダと、前記シリンダに接続される吸気ポートおよび排気ポートとを有する内燃機関であって、蓄圧ガスの流路（以下、吸気ポート側流路という。）を介して前記吸気ポートに接続される蓄圧部と、前記吸気ポート側流路を開閉する開閉弁とを含み、且つ、前記開閉弁の開閉制御もしくは開度制御により前記シリンダ内に生ずるスワールが制御される。

この内燃機関では、開閉弁の開閉制御あるいは開度制御によりシリンダ内に導入される蓄圧ガスの流量（吸気の圧力）が調整される。これにより、シリンダ内のスワールが制御されて、エンジン性能が向上する利点がある。

また、この発明にかかる内燃機関では、エンジンの回転数Ｎｅが所定の閾値よりも低いとき若しくはエンジンの負荷Ｑが所定の閾値よりも高いときに、前記開閉弁が開弁され若しくは前記開閉弁の開度が増加される。

また、この発明にかかる内燃機関では、エンジンの吸気温度Ｔａが所定の閾値よりも低いとき若しくはエンジンの冷却水温度Ｔｗが所定の閾値よりも低いときに、前記開閉弁が閉弁され若しくは前記開閉弁の開度が減少される。

この発明にかかる内燃機関では、蓄圧部からシリンダに蓄圧ガスが供給され、この蓄圧ガスの流れが調整部により調整される。これにより、シリンダ内におけるスワールが適正化されて、エンジン性能が向上する利点がある。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、この実施例の構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的同一のものが含まれる。また、この実施例に記載された複数の変形例は、当業者自明の範囲内にて任意に組み合わせが可能である。

［内燃機関］
図１は、この発明の実施例にかかる内燃機関を示す構成図である。図２〜図４は、図１に記載した内燃機関のスワール制御手段を示す断面図（図２）、側面図（図３）および作用説明図（図４）である。図５〜図７は、図１に記載した内燃機関の変形例を示す説明図である。

この内燃機関（エンジン）１は、シリンダ２と、ピストン３と、吸気ポート４と、排気ポート５とを有する（図１参照）。シリンダ２は、ピストン３を往復運動可能に収容する。また、シリンダ２には吸気ポート４が接続され、この吸気ポート４に対して吸気マニホールドが接続される。また、吸気ポート４には吸気バルブ４１が設けられ、この吸気バルブ４１の開閉動作によりシリンダ２への吸気が制御される。また、シリンダ２には排気ポート５が接続され、この排気ポート５に対して排気マニホールドが接続される。また、排気ポート５には排気バルブ５１が設けられ、この排気バルブ５１の開閉動作によりシリンダ２からの排気が制御される。

また、内燃機関１は、スワール制御部６を有する（図１参照）。このスワール制御部６は、蓄圧部６１と、シリンダ側バルブ６２と、調整部（可動ノズル６７）とを有し、エンジンの稼働時にてシリンダ２内に生成されるスワールを制御する。蓄圧部６１は、例えば、圧力エネルギーを蓄える蓄圧タンクであり、シリンダ側流路６４を介してシリンダ２に接続される。この蓄圧部６１は、シリンダ２内にシリンダ側流路６４を介して高圧のガス（以下、蓄圧ガスという。）を供給する。シリンダ側バルブ６２は、シリンダ側流路６４（蓄圧ガスの流路）を開閉するバルブであり、シリンダ側流路６４の開口部（シリンダ２内に開口する部分）に設けられる。また、このシリンダ側バルブ６２は、内燃機関１のＥＣＵ（Electronic Control Unit）７に接続されており、このＥＣＵ７により駆動制御される。なお、この実施例では、シリンダ側流路６４の開口部がシリンダ２のボア壁の近傍に配置されている（図２参照）。

調整部は、シリンダ側流路６４からシリンダ２内に流入する蓄圧ガスの流れを調整する。この調整部は、例えば、可動ノズル６７により構成され、シリンダ側流路６４の開口部に配置される（図１、図３および図４参照）。この可動ノズル６７は、その向きを変化させることによりシリンダ側流路６４の開口部からシリンダ２内に流入する蓄圧ガスの流入方向（吹き出し方向）を変更させ得る。また、可動ノズル６７は、内燃機関１のＥＣＵ７に接続されており、このＥＣＵ７により駆動制御される。

ここで、エンジンの稼働時には、吸気ポート４からシリンダ２に導入された吸気により、シリンダの内壁面に沿って渦流（スワール）が形成される。このとき、エンジンの回転数Ｎｅ、負荷Ｑ、吸気温度Ｔａ、冷却水温度Ｔｗなどの条件に応じて、シリンダ２内に形成されるスワールの強さが調整されることが好ましい。なお、これらの条件は、内燃機関１に設置されたセンサー（図示省略）により検出されてＥＣＵ７に取得されている。

この点において、この内燃機関１では、蓄圧部６１からシリンダ２に蓄圧ガスが供給され、この蓄圧ガスの流れ（流れ方向や指向性など）が調整部（可動ノズル６７）により調整される。これにより、シリンダ２内におけるスワールが適正化されて、エンジン性能（例えば、始動性能や加速性能）が向上する利点がある。

また、この内燃機関１では、スワール制御部６の調整部が可動ノズル６７により構成され、この可動ノズル６７の姿勢制御により蓄圧ガスの流れ（シリンダ２内への吹き出し方向）が調整されるので、簡素な構成にてシリンダ２内のスワールを制御できる利点がある。

例えば、可動ノズル６７が蓄圧ガスの流入方向をシリンダ２のボア壁側に向けると、蓄圧ガスがシリンダ２の周方向にボア壁に沿って流れて、シリンダ２内のスワールが増強される。逆に、可動ノズル６７が蓄圧ガスの流入方向をシリンダ２のボア中心側に向けると、シリンダ２内のスワールが減弱される。そして、エンジンの回転数Ｎｅや負荷Ｑなどに応じて可動ノズル６７が姿勢制御されることにより、シリンダ２内におけるスワールが適正化される。

［スワール制御部の調整部の変形例］
なお、この内燃機関１では、スワール制御部６の調整部がシリンダ側バルブ６２により構成され、シリンダ側バルブ６２の開度制御によりシリンダ２内に導入される蓄圧ガスの流れが調整されても良い（図５および図６参照）。すなわち、シリンダ側バルブ６２がスワール制御部６の調整部を兼ねる。これにより、簡素な構成にてシリンダ２内のスワールを制御できる利点がある。

例えば、シリンダ側バルブ６２がリフト構造を有すると共に、その昇降動作によりシリンダ側流路６４を開閉する構成が採用される。これにより、シリンダ側バルブ６２の開度制御によりシリンダ２内に導入される蓄圧ガスの流れが調整される。具体的には、シリンダ側バルブ６２の開度（リフト量）が大きくなると、シリンダ２内に流入する蓄圧ガスの指向性が強くなり、シリンダ２内のスワールが増強される（図５参照）。逆に、シリンダ側バルブ６２の開度が小さくなると、シリンダ２内に流入する蓄圧ガスの指向性が弱くなり、シリンダ２内のスワールが減弱される（図６参照）。そして、エンジンの回転数Ｎｅや負荷Ｑなどに応じてシリンダ側バルブ６２が開度制御されることにより、シリンダ２内におけるスワールが適正化される。

なお、スワール制御部６の調整部には、（１）可動ノズル６７のみから成る構成、（２）シリンダ側バルブ６２のみから成る構成、もしくは、（３）これらが併用される構成のいずれが採用されても良い。特に、（３）の構成では、可動ノズル６７により蓄圧ガスの流入方向が調整されると共に、シリンダ側バルブ６２により蓄圧ガスの指向性が調整される。したがって、（３）の構成では、（１）または（２）の構成と比較して、スワール制御の幅が拡大される利点がある。また、（３）の構成では、例えば、シリンダ側バルブ６２に可動ノズル６７が一体化されても良い（図示省略）。

［蓄圧部への蓄圧］
また、この内燃機関１では、蓄圧部６１が吸気ポート側流路６５を介して吸気ポート４に接続される（図１参照）。また、この吸気ポート側流路６５には、流量調整弁６３が配置される。この流量調整弁６３により、吸気ポート側流路６５におけるガスの流量が調整される。

蓄圧部６１への蓄圧時には、例えば、エンジンの高回転時にてシリンダ２に供給される余剰の過給圧が用いられる。このとき、流量調整弁６３が開弁されると共にシリンダ側バルブ６２が閉弁される。これにより、吸気ポート４内の高圧ガスが吸気ポート側流路６５を介して蓄圧部６１に導かれ、蓄圧が行われる。なお、蓄圧部６１への蓄圧は、上記の構成に限定されず、他の構成により行われても良い。

［スワール制御の具体例］
また、この内燃機関１では、エンジンの回転数Ｎｅが所定の閾値よりも低いとき若しくはエンジンの負荷Ｑが所定の閾値よりも高いときに、蓄圧ガスの流れが調整されてシリンダ２内のスワールが増強されることが好ましい。すなわち、エンジンの回転数Ｎｅおよびエンジンの負荷Ｑの少なくとも一方に応じてシリンダ２内のスワールが適正化される。これにより、エンジン性能がより効果的に向上する利点がある。

例えば、ディーゼルエンジンでは、エンジンの回転数Ｎｅが低いとシリンダ２内に噴射された燃料が拡散し難いため、燃焼不良が生じ易い。また、エンジンの負荷Ｑが高いと一般にシリンダ２内に噴射される燃料が増加されるため、シリンダ２内での燃料と空気との混合を促進する必要がある。特に、過給機を有するディーゼルエンジンでは、エンジンの回転数Ｎｅが低くエンジンの負荷Ｑが高いときに過給遅れが生じ易い。そこで、かかる場合にシリンダ２内のスワールが増強されれば、エンジン性能が効果的に向上する。

また、この内燃機関１では、エンジンの吸気温度Ｔａが所定の閾値よりも低いとき若しくはエンジンの冷却水温度Ｔｗが所定の閾値よりも低いときに、蓄圧ガスの流れが調整されてシリンダ２内のスワールが減弱されることが好ましい。すなわち、エンジンの吸気温度Ｔａおよびエンジンの冷却水温度Ｔｗの少なくとも一方に応じてシリンダ２内のスワールが適正化される。これにより、エンジン性能がより効果的に向上する利点がある。

例えば、寒冷地や暖気前などにてエンジンの冷却水温度Ｔｗや吸気温度Ｔａが低いと、これらとの熱交換によりシリンダ２内のガスの温度が低下して、燃焼不良が生じ易い。すると、ノッキングや失火が生じるおそれがある。そこで、かかる場合にシリンダ２内のスワールが減弱されれば、燃焼不良が低減されてエンジン性能が効果的に向上する。

［内燃機関の変形例］
また、この内燃機関１では、以下の構成が採用されても良い（図７参照）。まず、蓄圧部６１が吸気ポート側流路６５を介して吸気ポート４に接続される。また、吸気ポート側流路には開閉弁６６が設けられる。この開閉弁６６は、例えば、三方弁、流量調整弁などにより構成され、ＥＣＵ７により駆動制御される。また、蓄圧部６１とシリンダ２とがシリンダ側流路６４を介して接続され、シリンダ側流路６４の開口部にシリンダ側バルブ６２が配置される。また、シリンダ側流路６４上には、熱交換器（冷却器）６８が配置される。

かかる構成では、開閉弁６６が開弁すると、蓄圧ガスが蓄圧部６１から吸気ポート側流路６５および吸気ポート４を介してシリンダ２に供給される。そして、開閉弁６６の開閉制御あるいは開度制御によりシリンダ２内に導入される蓄圧ガスの流量（吸気の圧力）が調整される。これにより、シリンダ２内のスワールが適正化されて、エンジン性能が向上する利点がある。

また、上記の構成では、エンジンの回転数Ｎｅが所定の閾値よりも低いとき若しくはエンジンの負荷Ｑが所定の閾値よりも高いときに、開閉弁６６が開弁され若しくは開閉弁６６の開度が増加されることが好ましい。これにより、シリンダ２内のスワールが適正化されて、エンジン性能がより効果的に向上する利点がある。

また、上記の構成では、エンジンの吸気温度Ｔａが所定の閾値よりも低いとき若しくはエンジンの冷却水温度Ｔｗが所定の閾値よりも低いときに、開閉弁６６が閉弁され若しくは開閉弁６６の開度が減少されることが好ましい。これにより、シリンダ２内のスワールが適正化されて、エンジン性能がより効果的に向上する利点がある。

なお、蓄圧部６１への蓄圧時には、シリンダ側バルブ６２が開弁され、シリンダ２内の圧縮ガスがシリンダ側流路６４を介して蓄圧部６１に導入される。このとき、圧縮ガスが熱交換器６８にて冷却される。

［適用対象］
また、この内燃機関１は、例えば、過給機を有する内燃機関に適用される（図示省略）。かかる内燃機関では、一般に、過給機がタービンとコンプレッサとを有すると共に排気マニホールドに接続されて配置される。そして、排気マニホールドを通過する排気によりタービンが駆動されると共にこのタービンによりコンプレッサが駆動されて吸気が圧縮される。そして、この圧縮された吸気（過給圧）が吸気マニホールドを介してシリンダ内に供給されることにより、エンジン出力が増加される。

このような内燃機関には、エンジンの低回転時における過給遅れを改善するために、蓄圧タンクが設けられる。この蓄圧タンクは、吸気ポートに接続されて設置され、例えば、エンジンの高回転時にて生ずる余剰の過給圧を蓄える。そして、エンジンの低回転時にて過給遅れが発生したときに、この過給圧が吸気ポートを介してシリンダに供給される。これにより、過給遅れが抑制されてエンジン性能が向上する。

ここで、この内燃機関１が、かかる過給機を有する内燃機関に適用される場合には、スワール制御部６の蓄圧部６１が上記の蓄圧タンクにより構成される。すなわち、既存の蓄圧タンクが蓄圧部６１を兼ねる。これにより、内燃機関１の構成が簡素化される利点がある。なお、この内燃機関１は、ディーゼルエンジンに限らず、ガソリンエンジンに適用されても良い。

以上のように、本発明にかかる内燃機関は、シリンダ内におけるスワール制御によりエンジン性能を向上させ得る点で有用である。

この発明の実施例にかかる内燃機関を示す構成図である。図１に記載した内燃機関のスワール制御手段を示す断面図である。図１に記載した内燃機関のスワール制御手段を示す側面図である。図１に記載した内燃機関のスワール制御手段を示す作用説明図である。図１に記載した内燃機関の変形例を示す説明図である。図１に記載した内燃機関の変形例を示す説明図である。図１に記載した内燃機関の変形例を示す説明図である。

符号の説明

１内燃機関
２シリンダ
３ピストン
４吸気ポート
４１吸気バルブ
５排気ポート
５１排気バルブ
６スワール制御部
６１蓄圧部
６２シリンダ側バルブ
６３流量調整弁
６４シリンダ側流路
６５吸気ポート側流路
６６開閉弁
６７可動ノズル
６８熱交換器

Claims

ピストンと、前記ピストンを収容するシリンダと、前記シリンダに接続される吸気ポートおよび排気ポートとを有する内燃機関であって、
蓄圧ガスの流路（以下、シリンダ側流路という。）を介して前記シリンダに接続される蓄圧部と、前記シリンダ側流路から前記シリンダ内に流入する蓄圧ガスの流れを調整する調整部とを含むことを特徴とする内燃機関。
前記調整部が可動ノズルにより構成されると共に、前記可動ノズルの姿勢制御により蓄圧ガスの流れが調整される請求項１に記載の内燃機関。
前記調整部が前記シリンダ側流路を開閉するシリンダ側バルブにより構成されると共に、前記シリンダ側バルブの開度制御により前記シリンダ内に導入される蓄圧ガスの流れが調整される請求項１または２に記載の内燃機関。
エンジンの回転数Ｎｅが所定の閾値よりも低いとき若しくはエンジンの負荷Ｑが所定の閾値よりも高いときに、前記調整部が蓄圧ガスの流れを調整して前記シリンダ内のスワールを増強させる請求項１〜３のいずれか一つに記載の内燃機関。
エンジンの吸気温度Ｔａが所定の閾値よりも低いとき若しくはエンジンの冷却水温度Ｔｗが所定の閾値よりも低いときに、前記調整部が蓄圧ガスの流れを調整して前記シリンダ内のスワールを減弱させる請求項１〜３のいずれか一つに記載の内燃機関。
ピストンと、前記ピストンを収容するシリンダと、前記シリンダに接続される吸気ポートおよび排気ポートとを有する内燃機関であって、
蓄圧ガスの流路（以下、吸気ポート側流路という。）を介して前記吸気ポートに接続される蓄圧部と、前記吸気ポート側流路を開閉する開閉弁とを含み、且つ、前記開閉弁の開閉制御もしくは開度制御により前記シリンダ内に生ずるスワールが制御されることを特徴とする内燃機関。
エンジンの回転数Ｎｅが所定の閾値よりも低いとき若しくはエンジンの負荷Ｑが所定の閾値よりも高いときに、前記開閉弁が開弁され若しくは前記開閉弁の開度が増加される請求項６に記載の内燃機関。
エンジンの吸気温度Ｔａが所定の閾値よりも低いとき若しくはエンジンの冷却水温度Ｔｗが所定の閾値よりも低いときに、前記開閉弁が閉弁され若しくは前記開閉弁の開度が減少される請求項６または７に記載の内燃機関。