JP2007239617A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の出力・および耐ノッキング性を維持しながら、簡便な付加装置でポンピングロスを低減する。
【解決手段】吸気量を調整するためにスロットルバルブを用いる内燃機関において、二つのスロットルバルブ１０１，１０２を備え、片方のスロットル１０２の容量は他方のスロットル１０１の容量よりも小さくするとともに、容量の小さい方のスロットル１０２を内燃機関の高温部との間で熱交換を行う熱交換部材１１０に接続し、容量の小さいスロットル１０２を通過する空気は温められた状態で内燃機関の燃焼室へ供給されるようにする。
【選択図】図１

Description

内燃機関の負荷状態に応じて、吸気温度を変えて内燃機関に供給する技術に関する。

特開平５−１９５８７８号公報には吸気弁を高速に開閉させることによってポンピングロスを低減する手法が開示されている。特開平５−１７９９７６号公報には、エンジンの燃焼安定性の確保のために吸気加熱手段を設ける手法が開示されている。

特開平５−１９５８７８号公報 特開平５−１７９９７６号公報

通常、内燃機関の出力は燃焼させる燃料の量によって調整する。ここで、予混合燃焼を行わせる内燃機関においては、燃焼室内に吸入させる燃料の量と空気の量の比（すなわち空燃比）をほぼ一定に保つ必要があることから、出力を調整するためには燃料の量とともに空気の量も調整する必要がある。

空気の量を調整する手段として、一般的にスロットルバルブが用いられる。スロットルバルブによる絞り効果によって吸入圧力を減じることで吸気行程終了時における圧力が減り、結果として吸入される空気量を減らして吸入空気量の調整が行われる。

しかしながら、吸入行程においては減じられた圧力に抗ってピストンは運動せねばならず、吸入のためにピストンが行う仕事は損失となる。この損失は一般にポンピングロスと呼ばれ、内燃機関の負荷が低く吸入空気量を減じる必要がある場合に損失が大きくなる。

このような内燃機関を自動車に用いた場合、一般的に自動車の運転においては負荷が低い状態（すなわちスロットルの開度が小さく、吸入圧力が小さい状態）で運転する場合が多いため、ポンピングロスは燃費を悪化させる原因の一つとなっている。

ポンピングロスを低減させる方法としては、特許文献１のように高速で開閉するスロットル弁をバイパス通路に用い、低負荷時には吸気行程の途中まで弁が開状態を続けることで吸気行程中の負圧に抗ってする仕事量を減らし、吸気行程の途中で弁が閉となることで吸入空気量を調整する手法が開示されている。

しかしながら、上記の方法を採るためには、スロットル弁の動作が内燃機関の行程に同期して極めて高速に動作する必要があり、また各気筒にバイパス通路とスロットル弁を独立して設ける必要があった。このため、内燃機関に上記装置を組み入れるためには、コスト，サイズ，重量がかさみ易いという課題がある。

また、特許文献２には燃焼安定性の確保を目的とした吸気加熱手段を設ける構成が開示されているが、ポンピングロス低減のために必ずしも十分な効果を得るための構成と制御方法については開示されていない。

本発明は上記の点に鑑みて為されたものであり、各気筒へのバイパス通路の必要がなく、また従来の電子制御スロットルと同等の応答性のスロットルを用いた構成でポンピングロスを低減する方法を提供するものである。

上記の問題を解決するために、本発明では、ポンピングロスの低減のために、吸気温度を上昇させる手段を内燃機関に付与する。ポンピングロスの本質は、吸気行程中に生じる吸気管内の負圧であり、この負圧の強さを減じることができれば、ポンピングロスを低減することができる。吸気温度を上昇させてある質量の空気を吸入し、吸気行程が完了するとき、空気の体積は変わらないから、ボイル・シャルルの法則によれば吸気温度が低い場合よりも圧力は上昇する。すなわち、吸気行程中に生じる負圧を減じることができ、ポンピングロスを減らすことが出来る。

ポンピングロスが問題となる低負荷時に温度の高い空気を吸入させるために、通常のスロットルバルブ（主スロットル）に対してバイパス通路を設け、バイパス通路に容量の小さい副スロットルバルブ（副スロットル）を設ける。副スロットルバルブは内燃機関の高温部との間で熱交換を行う熱交換器に接続されており、副スロットルバルブを通過した空気の温度は上昇して燃焼室に供給される。副スロットルの容量を小さくすることにより、加熱しなければならない空気の量を小さくすることができ、より効率よく吸気を加熱することができる。また、副スロットルの下流に吸気加熱手段を設けることにより、副スロットルを通過した空気が膨張してから加熱することができるため、吸気は断熱膨張によって熱交換の前に冷えることで、熱交換器と吸気との温度差を大きくとって熱交換が容易になる。また、膨張後に熱交換器を通過することで、熱交換器の容積に対して充填されている空気の質量は小さくなり、したがって空気のマスによって生じるスロットル開閉に対する出力の応答遅れも小さくできる。

上記のようにして内燃機関の吸気通路にバイパス通路，副スロットル、及び熱交換器を設け、高負荷時には主スロットルの開いて副スロットルを閉じ、比較的低温の空気を供給することで出力と耐ノッキング性能を確保しながら、低負荷時には主スロットルを閉じて副スロットルから高温の空気を供給することでポンピングロスを低減できる。また、弁の開閉は内燃機関の行程と同期している必要が無いため、副スロットルは通常のスロットルバルブと同程度の応答性を有していれば良く、各気筒毎に設ける必要もない。

本発明によれば、各気筒へのバイパス通路の必要がなく、また従来の電子制御スロットルと同等の応答性のスロットルを用いた構成でポンピングロスを低減することができる。

以下、実施例を説明する。

図１は、本発明に係る内燃機関の吸気装置の構成図であり、低負荷時におけるバルブの状態を示してある。吸気のエアフィルタから各気筒の吸気ポート１０６へ至る吸気通路は、通路断面積が大きくしたがって容量の大きい主スロットル１０１から各気筒へ吸気を分配する吸気マニフォルド１１１を通るパスと、エアフィルタから分岐したバイパス通路
１０３を通って容量の小さい副スロットル１０２を通り、内燃機関の高温部との間で熱交換を行う熱交換器１１０に接続されたバイパス通路１０４を通って吸気マニフォルド111へ至るパスの二つを備えている。内燃機関の高温側の熱源としては、排気もしくは冷却水を用いるとよい。すなわち、熱交換器の高温側配管１０７は、排気管もしくは冷却水路からバイパスして接続する。

負荷が低い運転状態においては、図１のように主スロットル１０１を閉じ、副スロットル１０２を開いた状態で運転し、内燃機関の出力（すなわち吸入空気量）は副スロットル１０２の開度で調整する。このような状態では、燃焼室に供給される空気は全て熱交換器を経た空気となり、したがって外気温よりも高い温度の空気が吸入されるようになっている。

ここで、熱交換通路１０４は副スロットル１０２よりも下流、すなわち燃焼室側に接続されていることが望ましい。副スロットル１０２を通過した空気は副スロットルによって絞られるために、大気圧よりも圧力が低下し、密度が下がる。このとき、空気はボイル・シャルルの法則に則って温度が低下する。熱交換器が副スロットルの下流にあることで、加熱すべき吸入空気の熱交換器への流入温度が低下し、高温側熱源との温度差が大きくなって交換される熱量が増大する。このため、熱交換器が副スロットル１０２の上流側に設置された場合と比較して、下流に設置された場合には、効率よく熱交換が行え、熱交換器の大きさを小さくすることができる。

また、吸入空気流量の測定にホットワイヤ式やカルマン渦式の流量センサを用いる場合には、空気流量センサ１１２をバイパス通路１０３への分岐部１１３よりも上流側で、エアフィルタよりも下流側に配置するとよい。このように、分岐よりも前、また熱交換器よりも前に流量センサ１１２を設置することで、１つの空気流量センサでトータルの吸入空気量を測定することができる。また、センサを通過する流量とその下流を通過する空気流量は一致するので、主スロットルおよび副スロットルの開度や、熱交換器による吸入空気の温度変化に依らずに吸入空気量を測定することができる。

図２は、吸気温度が上がることによってポンピングロスを減じられることを示すためのＰＶ線図である。火花点火式の内燃機関では、吸気の開始となる上死点２０１から下死点２０２へかけて空気を吸入し、下死点から圧縮行程を経て２０４点で点火することによって燃焼し最大圧力点２０３に至り、膨張行程において燃焼によって得たエネルギを仕事として取り出す。ここで、機関から得られる出力は、点火時の２０４点における圧力と最大圧力の２０３点の圧力差の大小によって決定され、その圧力差の大小は燃焼に供した燃料量によって決定される。予混合燃焼を行わせる内燃機関では、燃料と空気の混合比が一定の範囲内にないと燃焼させることができないため、燃料量を調整するためには空気量の調整も併せて行う必要がある。すなわち、火花点火式の内燃機関は吸気行程下死点２０２点における負圧の大きさによって吸入空気量を規定し、得られる出力を調整する方式をとっている。過給器がない内燃機関ならば、２０２点が大気圧のときに機関の出力は最大となり、出力を減じる方向に調整するためには、２０２点における負圧を大きくする必要がある。２０２点における負圧はスロットル弁の絞りによって発生するが、吸気行程においては行程２０５のような線をたどって２０２点に至るため、ＰＶ線図上において損失を示す面積２０６を生じてしまう。面積２０６が示す領域が、吸気行程において発生するポンピングロスである。

ポンピングロスを減らすためには、面積２０６点を減らせばよく、したがって２０２点を大気圧に近づければよい。本発明では、２０２点を大気圧に近づけるために負荷が小さい（機関の出力が小さい）運転領域において、加熱した空気を供給することで、ポンピングロスを減少させることができる。加熱した空気を供給した場合、ボイル・シャルルの法則により、加熱しない空気を供給する場合と比較して同じ質量の空気を吸入させた場合の２０２点における圧力は高くなり、大気圧に近づく。したがって、同じ機関の出力を出すために必要なポンピングロスに相当する面積２０６は、温度の高い空気を吸入した場合の方が小さくてすむようになる。

ところが、吸気温度を上昇させると、機関の出力を大きくした場合に問題を生じることがある。すなわち、機関の出力を大きくしようとしても温度の上昇によって空気の密度が低下し、十分な空気質量を燃焼室に供給できなくなるために機関の最大出力は低下する。また、吸入する空気の温度が上昇すると、圧縮上死点付近における混合気の温度も高くなる。圧縮上死点付近での混合気の温度が高くなると、混合気は自着火し易くなる。このため、点火後に火炎が伝播し終わる前に圧縮された混合気が自着火してノッキングを起こしやすくなる。このため、全領域で加熱した空気を吸入させると、機関の最高出力は低下し、ノッキングを防止するために圧縮比を小さくとらねばならなくなる。

ポンピングロスは機関の負荷が小さい（すなわち図２の２０２点が大気圧を大きく下回る）ときに大きくなるが、負荷が小さい条件では吸入空気量も小さいために圧縮上死点における温度も高温にはならず、したがってノッキングは問題にならない。その一方で、機関の負荷が大きい運転条件では圧縮上死点における温度が高くなってノッキングが起こり易いが、吸入空気量が大きいために吸気行程の下死点２０２における圧力は大気圧に近づくため、面積２０６は小さくなってポンピングロスは問題にならなくなる。

そこで、本発明では空気を加熱するための熱交換器に接続されていない主スロットルと、熱交換器に接続されて過熱した空気を供給できる副スロットルを設ける構成とし、機関の負荷が高い運転条件では副スロットルを閉じて主スロットルを開け、機関の負荷が低い運転条件では副スロットルを空けて主スロットルを閉じるように制御する。

主スロットルと副スロットルの開閉制御は、図３のようにすると良い。図３は、負荷と回転数に応じて副スロットルによる加熱空気を供給する場合と主スロットルによって加熱されない空気を供給する場合を分ける制御マップの例である。縦軸の負荷は要求負荷を示し、アクセルペダルの踏み込み量などから算出する。図中の点線が主スロットルを全開にした場合（自然吸気エンジンであればブースト圧が大気圧）の負荷に相当する。

図３に示された直線３０１は、負荷によって加熱空気を供給する場合と冷気を供給する場合とを切り替える負荷を示す線である。直線３０１は、ポンピングロスが問題になる負荷以上に位置し、ノッキングが問題になる負荷以下に設定するとよい。具体的には、最大負荷の１／４〜１／２程度の負荷範囲になるように直線３０１の位置を設定することで、定常運転時においてポンピングロスが大きくなる運転領域をカバーし、加速時などのノッキングが問題になり易い運転領域で加熱空気を供給しないように設定することができる。

次に、図３に示された線３０２は、副スロットルを全開にしたときに得られる空気流量によって可能な負荷を示している。スロットルを通過する流量は、負荷と回転数の積で決まるため、スロットルの容量（断面積）が決まると供給できる最大流量が決まる。したがって、副スロットルを全開にした場合に、点３０４で示される回転数と負荷を満たす空気流量を確保すると、副スロットルによって調整可能な負荷と回転数の範囲は線３０２に示すような回転数に反比例した曲線となる。したがって、線３０２を下回る空気量については、副スロットルを絞ることによって空気流量を調整する領域となる。

負荷によって切り替えを行う線３０１と、副スロットルが供給可能な空気量を示す線
３０２とによって、図３に示された領域Ａ乃至領域Ｄの４パターンに分類して副スロットル及び主スロットルの開閉制御を行うと良い。

領域Ａは回転数が低く、負荷も低い運転領域である。車の運転状態では低速の巡航状態ないしは弱い加速状態に相当する。この領域ではノッキングが問題にならない領域であるので、主スロットルを閉じて吸気は副スロットルから加熱された空気を供給する。また、副スロットルの容量よりも少ない空気量を供給することとなるため、吸気流量は副スロットルの開度で調節する。この領域で運転する場合、燃焼室には加熱した空気が供給され、ポンピングロスを低減し、燃費を低減することができる。

領域Ｂは、回転数が高いが負荷が低い運転領域である。車の運転状態では、中・高速の巡航状態に相当する。この領域は線３０１より負荷が低い領域にあるのでノッキングは問題にならないため、領域Ａと同様に主スロットルを閉じ、副スロットルの開度を調整して、加熱空気を燃焼室に供給する。但し、回転数が高いため、副スロットルで供給可能な空気流量では線３０１に相当する負荷まで上げることができない。このため、領域Ｂは副スロットルが供給可能な空気流量によって得られる負荷のラインである実線３０７を下回る範囲に限定される。実線３０７に示される領域Ｃとの切り替えラインは、制御定数のマップとしてＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）に記憶させておくか、点３０４の値
（回転数，負荷）のみをＥＣＵに記憶させ、回転数で除して曲線３０７を算出してもよい。この領域においても、領域Ａと同様にポンピングロスを低減し、燃費を低減することができる。

領域Ｃは、負荷が低くノッキングは問題にならないが、回転数が高く副スロットルだけでは供給空気量が不足する領域である。車の運転状態では、高速における巡航状態ないしは、中・高速での弱い加速状態に相当する。この領域では、副スロットルを全開にし、主スロットルの開度を調整して機関の出力を調整する。この領域では、領域Ａや領域Ｂほどのポンピングロス低減効果を得ることはできないが、副スロットルと主スロットルの双方が開状態にあるときに、副スロットルを全開にして可能な限り加熱された空気を供給することで、ポンピングロスの低減効果を最大限得ることができる。

領域Ｄは、回転数に依らず負荷が高い領域であり、車の運転状態では加速状態に相当する。負荷の高い領域ではポンピングロスは問題にならず、吸気量の増大に伴うノッキングが問題になるため、副スロットルを全閉にして加熱空気を供給せずに、すべて主スロットルから空気を供給する。すなわち、主スロットルの開度のみによって出力を調整する方法であり、従来の内燃機関と同様の制御を行えばよい。供給される空気は加熱されておらず、したがってノッキングに対する耐性や、吸入できる空気量は本発明による空気供給装置を用いない場合と同等となる。したがって、本発明を用いた場合でも最大出力の低下やノッキング耐性の悪化あるいは圧縮比の低下などを招くことがない。

図４および図５は、要求される負荷に対する主スロットルと副スロットルの開度の制御の様子を示すグラフである。図４は一定の機関回転数で図３の矢印３０５上に沿って負荷を上げた場合の主スロットル開度と副スロットル開度の様子を示している。図３の矢印
３０５が示す回転数の領域では、領域Ａと領域Ｄを通過する。したがって、負荷が所定の値４０１を超えるまでは副スロットルの開度によって出力を調整し、機関に加熱空気を供給する。負荷が所定の値４０１を超えると副スロットルを閉じて主スロットルにより出力を調整し、機関には加熱されない空気を供給する。

図５は、図３における矢印３０６上に沿って負荷を上げた場合の主スロットル開度と副スロットル開度の様子を示したグラフである。図３の矢印３０６が示す回転数は、所定の負荷５０１に達する前に副スロットルの容量が不足する運転領域である。したがって、副スロットルのみで出力を調整する領域Ｂの領域よりも高い負荷では、領域Ｃにおける副スロットルの開度５０３のように副スロットルを全開にし、主スロットルの開度５０２に示すように出力の調整は主スロットルによって行う。さらに負荷が高い領域では開度５０４に示すように、主スロットルのみから空気を供給するように制御する。

以上のような制御を行うことによって、主スロットルよりも小さい容量の副スロットルを設け、副スロットルからの空気が熱交換器を経て燃焼室に供給されるような構成にした内燃機関において、最高出力を低下させることなく、また耐ノッキング性を悪化させることなく、低負荷における燃費を低減させることができる。

本発明に係る吸気装置のシステムを示すダイアグラムである。 本発明により燃費を低減できることを示す、ＰＶ線図である。 本発明に係る吸気装置を負荷により制御する方法を示すグラフである。 本発明に係る吸気装置の制御方法を示すグラフである。 本発明に係る吸気装置の制御方法を示すグラフである。

符号の説明

１０１…主スロットル、１０２…副スロットル、１０３…バイパス通路、１０４…熱交換通路、１０５…主通路、１０６…吸気マニフォルド、１０７…高温側配管、１０８…吸気弁、１０９…排気弁、１１０…熱交換器、１１１…吸気通路、１１２…空気量センサ、１１３…分岐部、１１５…燃料供給口、２０１…吸気上死点、２０２…吸気下死点、203…圧縮上死点、２０４…圧縮行程、２０５…吸気行程、２０６…ポンピングロスを示す面積、３０１…所定の切り替え負荷、３０２，３０７…副スロットルの容量によって決まる線、３０３…主スロットルの容量によって決まる線、３０４…線３０１と３０２の交点、３０５乃至３０６…矢印、４０１，５０１…所定の切り替え負荷、４０２,５０２,５０４…主スロットル開度、４０３…副スロットル開度、５０３…副スロットル開度（全開）。

Claims (2)

1. 吸気量を調整するためにスロットルバルブを用いる内燃機関において、二つのスロットルバルブを備え、片方のスロットルの容量は他方のスロットルの容量よりも小さくするとともに、容量の小さい方のスロットルは内燃機関の高温部との間で熱交換を行う熱交換部材に接続され、容量の小さいスロットルを通過する空気は温められた状態で内燃機関の燃焼室へ供給されることを特徴とした内燃機関。
2. 請求項１記載の内燃機関において、
   前記スロットルバルブはその開度が電子制御されるとともに、小容量のスロットルバルブは小負荷時に開状態となり高負荷時に閉状態となるとともに、容量が大きい方のスロットルバルブは低負荷時に閉状態となり高負荷時に開状態となるように制御されることを特徴とした内燃機関。
   

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