JP2008223615A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】リーンバーン運転時においてボア壁面近傍での燃焼性を高めて未燃燃料を低減し燃費を向上できる内燃機関を提供する。
【解決手段】リーンバーン運転が可能な内燃機関であって、リーンバーン運転時の燃焼室内のボア壁面近傍の混合気の温度が低下するのを抑制するために、シリンダヘッド２０とシリンダブロック１０とをそれぞれ独立に冷却水で冷却する冷却機構、冷却機構のシリンダブロック１０側の冷却水の温度を選択的に高める温度制御手段としてのＥＣＵ１００とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関に関する。

燃費性能の向上とエミッション性能の向上を図るために、所定の運転領域、例えば、低負荷領域では、混合気の空燃比を理論空燃比よりはリーンにして希薄燃焼（リーンバーン）を行うようにしたエンジン、いわゆるリーンバーンエンジンが知られている。リーンバーンは着火性・燃焼性がストイキ燃焼時と比べて悪化する。リーンバーンにおける着火性・燃焼性を向上させる技術は、例えば、特許文献１等に開示されている。

実開平５−５７３１９号公報

ところで、混合気中の燃料がほぼ均一に分散される、いわゆる均質燃焼のリーンバーン運転では、火炎伝播が遅く、燃焼後期では、ボア壁面近傍で混合気が冷やされ、火炎伝播しきらずに火炎が消炎しやすい。このため、未燃燃料が多く残りやすく、そのため、本来向上すべき燃費性能を得るのが難しいという問題がある。

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、リーンバーン運転時においてボア壁面近傍での燃焼性を高めて未燃燃料を低減し燃費を向上できる内燃機関を提供することにある。

本発明に係る内燃機関は、リーンバーン運転が可能な内燃機関であって、リーンバーン運転時の燃焼室内のボア壁面近傍の混合気の温度が低下するのを抑制する保温手段を有する、ことを特徴としている。
この構成によれば、ボア壁面近傍において混合気が冷やされにくく、火炎が消炎しにくくなり、その結果、未燃燃料を低減し燃費を向上できる。

上記構成において、前記保温手段は、前記リーンバーン運転時の前記燃焼室内のボア壁面近傍の混合気の温度が、ストイキ運転時と比較して低下するのを抑制する、構成を採用できる。

上記構成において、前記保温手段は、シリンダヘッドとシリンダブロックとをそれぞれ独立に冷却水で冷却する冷却機構と、前記冷却機構の前記シリンダブロック側の冷却水の温度を選択的に高める温度制御手段とを有する、構成を採用できる。
この構成によれば、シリンダブロック側の冷却水の温度が上昇し、ボア壁面の温度が上昇して、ボア壁面近傍での燃焼性を高めることができる。

上記構成において、前記保温手段は、既燃ガスを前記燃焼室内に導入して前記ボア壁面上に断熱層を形成する既燃ガス導入機構を有する、構成を採用できる。
この構成によれば、ボア壁面近傍に断熱層が形成されるので、混合気がボア壁面近傍で冷やされるのを抑制でき、混合気のボア壁面近傍での燃焼性を高めることができる。

本発明によれば、リーンバーン運転時においてボア壁面近傍部での燃焼性を高めて未燃燃料を低減し燃費を向上できる内燃機関が得られる。

以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の概略構成図である。
この内燃機関は、シリンダブロック１０及びシリンダヘッド２０により形成される図示しない燃焼室の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室内でピストンを往復移動させることにより動力を発生する。また、車両用多気筒エンジン（例えば４気筒エンジン）であり、火花点火式内燃機関、より具体的にはガソリンエンジンである。

この内燃機関は、シリンダブロック１０及びシリンダヘッド２０をそれぞれ独立に冷却する冷却機構として、ラジエタ３０、図示しないクランクシャフトに連結されたウォータポンプ３１、ラジエタ３０からウォータポンプ３１へ冷却水を送る配管３２、ウォータポンプ３１から供給される冷却水をシリンダブロック１０及びシリンダヘッド２０へそれぞれ供給する配管３３、シリンダブロック１０及びシリンダヘッド２０内に形成された図示しないウォータジャケットを通過した冷却水をラジエタ３０へ帰還させる配管３４、シリンダブロック１０及びシリンダヘッド２０へ供給される冷却水の流量をそれぞれ調整するための電磁弁４０，４１等を備える。尚、この冷却機構と温度制御手段としてのＥＣＵ１００とにより、保温手段が実現される。

電磁弁４０，４１は、ＥＣＵ（電子制御ユニット）１００によりデューティ制御される。
シリンダブロック１０及びシリンダヘッド２０の冷却水の温度は、シリンダブロック１０及びシリンダヘッド２０にそれぞれ設けられた水温センサ１１，２１により検出され、ＥＣＵ１００にフィードバックされる。

次に、ＥＣＵ１００による温度制御の一例について図２のフローチャートを参照して説明する。
ＥＣＵ１００は、先ず、内燃機関の暖機が終了したかを判断する（ステップＳ１）。この判断は、水温センサ１１，２１により検出される冷却水の温度が例えば８０℃以上であるかで行う。冷却水の温度が８０℃未満の場合には、冷却水の温度制御は行わず、電磁弁４０，４１は全開状態にある。

次いで、暖機が終了した場合には、現在の運転領域がリーンバーン運転領域かを判断する(ステップＳ２)。この判断は、例えば、エンジン回転数、エンジン負荷、冷却水の温度等から判断する。例えば、低回転、低負荷領域で冷却水の温度が８０℃以上の領域をリーンバーン運転領域とし、それ以外をストイキ運転領域と判断する。尚、リーンバーン運転は、本実施形態では、いわゆる均質燃焼のリーンバーン運転である。

ストイキ運転領域の場合には、シリンダブロック１０を流れる冷却水の温度が略８０℃となるように電磁弁４０の制御により冷却水の流量を制御すると共に（ステップＳ３）、シリンダヘッド２０を流れる冷却水の温度も８０℃程度となるように電磁弁４１の制御により冷却水の流量を制御する（ステップＳ５）。

ステップＳ２において、リーンバーン運転領域の場合には、シリンダブロック１０側の電磁弁４０を制御してシリンダブロック１０を流れる冷却水の流量を制限し、冷却水の温度が１２０℃程度となるようにする。一方、シリンダヘッド２０を流れる冷却水の温度が８０℃程度となるように電磁弁４１の制御により冷却水の流量を制御する（ステップＳ５）。
これにより、シリンダブロック１０側の冷却水の温度を選択的に高めることができる。この結果、リーンバーン運転時の燃焼室内のボア壁面の温度がストイキ運転時よりも高くなり、ボア壁面近傍の混合気の温度がストイキ運転時のように低下することがなく、ストイキ運転時と比べて混合気が逆に加熱される。このため、混合気の燃焼性が高まり、ボア壁面近傍で消炎しにくくなり、未燃燃料を低減し燃費を向上できる。

図３は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の変形例を示す概略構成図である。
図３に示す内燃機関の冷却機構と図１に示した冷却機構とで異なる点は、図３に示す冷却機構は、ウォータポンプ３１の代わりに電動式ウォータポンプ３１Ａ，３１Ｂがシリンダブロック１０及びシリンダヘッド２０にそれぞれ設けられており、ラジエタ３０から配管３５により冷却水が電動式ウォータポンプ３１Ａ，３１Ｂに供給される点である。尚、電動式ウォータポンプ３１Ａ，３１Ｂは、ＥＣＵ１００により制御される。

電動式ウォータポンプ３１Ａ，３１Ｂを用いることにより、必要に応じて電動式ウォータポンプ３１Ａ，３１Ｂの速度制御により冷却水の流量を可変でき、ウォータポンプ３１を使用する場合に比べて流体損失が少なくなる。

図４は、本発明の他の実施形態に係る内燃機関の概略構造図であって、（Ａ）は垂直方向の断面図、及び（Ｂ）は水平方向の断面図である。
内燃機関のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁１３０と、排気ポートを開閉する排気弁１４０とが気筒ごとに配設されている。各吸気弁１３０および各排気弁１４０は図示しないカムシャフトによって開閉させられる。また、シリンダヘッドの頂部には、燃焼室１１０内の混合気に点火するための点火プラグ１５０が気筒ごとに取り付けられている。尚、燃焼室１１０は、ピストン１２０の冠面、ボア壁面１１１及びシリンダヘッドにより画定される。

また、内燃機関は、複数のチャンバ２００、チャンバ２００を燃焼室１１０に連通させる連通路２１０、連通路２１０を開閉する電磁弁２２０を備えており、これらは既燃ガス導入機構を構成している。尚、この既燃ガス導入機構により保温手段が実現される。

チャンバ２００は、その内部に燃焼室１１０内で燃焼した既燃ガスＧＳを蓄積する。
連通路２１０は、ピストン１２０が下死点付近に移動したときに燃焼室１１０に連通する位置に形成されており、ボア壁面１１１の接線方向に既燃ガスＧＳを吐出するように配置されている。
電磁弁２２０は、図示しないＥＣＵにより開閉制御される。

図５は、電磁弁２２０の開閉タイミングを説明するためのタイミングチャートである。
図５に示すように、排気下死点付近おいて電磁弁２２０を開き、燃焼室１１０内の正圧の既燃ガスを連通路２１０を通じてチャンバ２００内に蓄積する。既燃ガスＧＳをチャンバ２００内に蓄積した後、電磁弁２２０を閉じる。
そして、吸気下死点付近において電磁弁２２０を再び開き、燃焼室１１０（シリンダ）へ既燃ガスＧＳを吐出させる。このとき、燃焼室１１０内は負圧となっている。連通路２１０を通じて既燃ガスＧＳを燃焼室１１０に吐出することにより、ボア壁面１１１上に断熱層ＢＬが略均等に形成される。既燃ガスＧＳを吐出したのち、電磁弁２２０を閉じる。

ボア壁面１１１上に断熱層ＢＬが形成されると、燃焼室１１０内に吸気された混合気がボア壁面１１１によって冷却することが抑制され、ボア壁面１１１近傍の混合気の温度が低下しにくくなる。これにより、燃焼行程においてボア壁面１１１近傍での混合気の燃焼性が高まり、ボア壁面１１１近傍で消炎しにくくなり、未燃燃料を低減し燃費を向上できる。
尚、本実施形態では、連通路２１０をピストン１２０が下死点付近に移動したときに燃焼室１１０に連通する位置に形成した場合について説明したが、この位置に限定されるわけではなく、燃焼室１１０の上端側に配置することも可能である。

図６は本発明のさらに他の実施形態に係る内燃機関の概略構造図であって、（Ａ）は垂直方向の断面図、及び（Ｂ）は水平方向の断面図である。尚、図４の内燃機関と同一構成部分については同一の符号を使用している。
図６に示す内燃機関は、上記したチャンバ２００を備えておらず、代わりに、
排気マニホールドから既燃ガスＧＳを再循環させるための循環路３００が電磁弁２２０を介して連通路２１０に接続されている。また、連通路２１０は燃焼室の上端部に設けられ、ボア壁面１１１の接線方向に配置されている。
このように、本実施形態では、排気ガスからなる既燃ガスＧＳを燃焼室１１０内に導入してボア壁面１１１に断熱層ＢＬを形成する。

図７は、図６に示す内燃機関における電磁弁２２０の開閉タイミングを説明するためのタイミングチャートである。
図７に示すように、吸気弁１４０を閉じた直後に電磁弁２２０を開いて燃焼室１１０（シリンダ）へ既燃ガスＧＳを吐出させる。これにより、上記したのと同様に、ボア壁面１１１上に断熱層ＢＬが略均等に形成される。
このように、燃焼室１１０へ吐出する既燃ガスＧＳとして排気ガスを使用することにより、図４の構成と比べて、電磁弁２２０の作動回数を半減できると共に、吸気弁１４０を閉じた後からでも既燃ガスＧＳを吐出することができるので、混合気が既燃ガスＧＳからなる断熱層へ拡散する量を低減することができ、さらに断熱効果を高めることができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の概略構成図である。 ＥＣＵによる温度制御の一例を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る内燃機関の変形例を示す概略構成図である。 本発明の他の実施形態に係る内燃機関の概略構造図であって、（Ａ）は垂直方向の断面図、及び（Ｂ）は水平方向の断面図である。 電磁弁の開閉タイミングを説明するためのタイミングチャートである。 本発明のさらに他の実施形態に係る内燃機関の概略構造図であって、（Ａ）は垂直方向の断面図、及び（Ｂ）は水平方向の断面図である。 図６に示す内燃機関における電磁弁の開閉タイミングを説明するためのタイミングチャートである。

符号の説明

１０…シリンダブロック
１１…水温センサ
２０…シリンダヘッド
２１…水温センサ
３０…ラジエタ
３１…ウォータポンプ
３１Ａ，３１Ｂ…電動式ウォータポンプ
３２〜３４…配管
４０，４１…電磁弁
１００…ＥＣＵ
１１０…燃焼室
１１１…ボア壁面
１３０…排気弁
１４０…吸気弁
２００…チャンバ
２１０…連通路
ＧＳ…既燃ガス
ＢＬ…断熱層

Claims (4)

1. リーンバーン運転が可能な内燃機関であって、
   リーンバーン運転時の燃焼室内のボア壁面近傍の混合気の温度が低下するのを抑制する保温手段を有する、ことを特徴とする内燃機関。
2. 前記保温手段は、前記リーンバーン運転時の前記燃焼室内のボア壁面近傍の混合気の温度が、ストイキ運転時と比較して低下するのを抑制する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記保温手段は、シリンダヘッドとシリンダブロックとをそれぞれ独立に冷却水で冷却する冷却機構と、
   前記冷却機構の前記シリンダブロック側の冷却水の温度を選択的に高める温度制御手段と、を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
4. 前記保温手段は、既燃ガスを前記燃焼室内に導入して前記ボア壁面上に断熱層を形成する既燃ガス導入機構を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。

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