JP2010174722A - 内燃機関及び内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】混合気の燃焼の安定化やリーン化を図るとともに内燃機関の始動性の低下を防ぐ内燃機関を提供する。
【解決手段】シリンダヘッド２に設けられた吸気ポート６と、吸気ポート６を開閉する吸気バルブ７と、吸気ポート７に燃料を噴射する燃料噴射弁１１と、吸気ポート６の内部を上下に二分して上部通路６ａ及び下部通路６ｂを形成する隔壁１２と、下部通路６ｂに設けられ、開度に応じて下部通路６ｂを通流する空気量を制御する制御バルブ１３と、を備えた内燃機関１であって、隔壁１２は、上部通路６ａ側の面１２ｂには高熱伝導性材がコーティングされ、下部通路６ｂ側の面１２ｃには断熱材がコーティングされたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関及び内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関において、吸気ポートの内部を上下の吸気通路に仕切る隔壁を設け、一方の吸気通路の上流側に設けたタンブルコントロールバルブ等により同通路を通流する空気量を制御して燃焼室内にタンブルを発生させることで、混合気の燃焼の安定化やリーン化を図るものが知られている（特許文献１参照）。特許文献１に開示された技術によれば、さらに、吸気ポートとシリンダヘッドとの間や吸気ポートとキャブレタとの間に断熱板を設けることで、吸気ポートの遮熱も図っている。

特開平１１−１６６４２０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、燃焼室における混合気の燃焼の安定化やリーン化を図ることができる効果を奏する一方で、内燃機関の始動時（特に冷間始動時）における始動性が低下してしまう課題があった。これは吸気ポートが遮熱されるために、この吸気ポートは始動時に燃料を気化させるのに十分な熱量を確保できないためである。

本発明は、このような技術的課題を鑑みてなされたもので、混合気の燃焼の安定化やリーン化を図るとともに内燃機関の始動性の低下を防ぐ内燃機関及び内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、シリンダヘッド（２）に設けられた吸気ポート（６）と、前記吸気ポート（６）を開閉する吸気バルブ（７）と、前記吸気ポート（６）に燃料を噴射する燃料噴射弁（１１）と、前記吸気ポート（６）の内部を上下に二分して上部通路（６ａ）及び下部通路（６ｂ）を形成する隔壁（１２）と、前記下部通路（６ｂ）に設けられ、開度に応じて前記下部通路（６ｂ）を通流する空気量を制御する制御バルブ（１３）と、を備えた内燃機関（１）であって、前記隔壁（１２）は、前記上部通路（６ａ）側の面には高熱伝導性材がコーティングされ、前記下部通路（６ｂ）側の面には断熱材がコーティングされたものであることを特徴とする。

本発明によれば、隔壁と制御バルブとが燃焼室内にタンブルを発生させるので、混合気の燃焼の安定化やリーン化を図ることができる。また、隔壁を高熱伝導性材及び断熱材でコーティングすることでこの隔壁に蓄熱することが可能になるので、内燃機関の始動時であってもこの隔壁に蓄熱された熱を用いることで内燃機関の始動性の低下を防ぐことができる。

本発明の第１の実施形態に係る内燃機関を説明する図である。 隔壁とシリンダヘッドとの取り付け構造を説明する図である。 隔壁をディンプル構造とした場合を説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係る内燃機関を備えたシステムの構成を示す図である。 ＥＣＵの制御ロジックを示すフローチャートである。 吸気カムシャフトの始動時用動作について説明する図である。 隔壁への蓄熱による効果を説明する図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明においては、本発明を１気筒４バルブの内燃機関に適用した場合を例に説明する。

[第１の実施形態]
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。

（装置の構成）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る内燃機関１を説明する図である。図１（ａ）は、内燃機関１の装置の構成を示す図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の隔壁１２の側面図である。

図１（ａ）に示す内燃機関１は、シリンダヘッド２、吸気ポート６、吸気バルブ７、燃料噴射弁１１、隔壁１２、制御バルブ（ＴＣＶ、タンブルコントロールバルブ）１３等を備えた構成である。

シリンダヘッド２は、シリンダブロック３上に組み付けられる内燃機関１の頭部部品である。このシリンダヘッド２とシリンダブロック３とピストン４との間には、燃焼室５が形成される。

吸気ポート６は、シリンダヘッド２に設けられ、燃焼室５に連通する吸気の通路である。

吸気バルブ７は、吸気ポート６を通流してきた吸気を燃焼室５に入れるために開いたり、燃焼室５内の吸気を圧縮する前に密閉したり、吸気ポート６を開閉する弁である。

燃料噴射弁１１は、吸気ポート６に燃料を噴射する弁である。

隔壁１２は、吸気ポート６の内部に設けられ、吸気ポート６の内部を上下に二分して上部通路６ａ及び下部通路６ｂを形成する仕切り板である。なお、ここでの上下とは、燃料噴射弁１１から噴射された燃料が通流する側と通流しない側と言い換えることができる。また、燃焼室５から吹き返した燃料が通流する側と通流しない側と言い換えることもできる。この隔壁１２の詳細については図１（ｂ）を用いて後述する。

制御バルブ１３は、上部通路６ａ又は下部通路６ｂのいずれか一方の通路（ここでは下部通路６ｂ）の上流側に設けられ、その開度に応じて下部通路６ｂを通流する空気量を制御する弁である。この制御バルブ１３は図１の奥行き方向に延びるシャフト１３ａを中心に回動することで、回動角度に応じて下部通路６ｂの流路断面積を変更する。この制御バルブ１３が下部通路６ｂを遮蔽したときには、吸気のすべては上部通路６ａを通流して燃焼室５に導入される。そうすると、燃焼室５内にはタンブルが発生する。これにより、燃焼室５における混合気の燃焼の安定化やリーン化を図ることができる。

（隔壁１２について）
次に、図１（ｂ）を用いて隔壁１２の詳細について説明する。

図１（ｂ）に示す隔壁１２は、略平面状の隔壁部材１２ａであってその上面１２ｂ（上部通路６ａ側の面）には高熱伝導性材がコーティングされ、その下面１２ｃ（下部通路６ｂ側の面）には断熱材がコーティングされたものである。ここで隔壁部材１２ａとは、例えばアルミニウム合金である。高熱伝導性材とは、熱伝導性の高い材料、例えばミタニライト（登録商標）である。断熱材とは、断熱効果を奏する程に熱伝導性の低い材料、例えばジルコニアである。

以上のように構成された隔壁１２が吸気ポート６に配設される。そうすると、上部通路６ａを通流する吸気中の熱は上面１２ｂを介して隔壁部材１２ａに蓄熱される。このとき、隔壁部材１２ａにおける熱の授受は上面１２ｂからのみに制限される。すなわち、隔壁部材１２ａにおける熱の移動方向が上面１２ｂに規制される。そのため、隔壁部材１２ａに蓄熱された熱が下面１２ｃを介して下部通路６ｂに逃げるのを防止できる。

（隔壁１２の上面１２ｂについて）
ここで隔壁部材１２ａに熱が蓄熱されると、隔壁１２の上面１２ｂでは、蓄熱された熱が上空通路６ａに放熱される。そうすると、この放熱された熱により燃料噴射弁１１から上部通路６ａに噴射された燃料の気化が促進される。また、燃料噴射弁１１から噴射された燃料が液滴状で隔壁１２に付着した場合であってもこの付着した燃料の気化が促進される。このように燃料の気化が促進されるため、隔壁１２を吸気バルブ７の側に延ばすことで燃焼室５の内部における混合気の流動（タンブル）をさらに強化することも可能になる。

また、内燃機関１の暖気後であれば、上部通路６ａで燃料を気化させたときに発生する熱量を隔壁部材１２ａに蓄熱することで、吸気ポート６を通流する吸気の温度上昇を防止して内燃機関１の体積効率を向上させることができる。

なお、隔壁１２の上面１２ｂにおいて高熱伝導性材をコーティングする領域は、上面１２ｂのうちの燃焼室５から吸気ポート６へ吹き返した高温の燃焼ガスが衝突する部分のみとすることが望ましい。これは吹き返した高温の燃焼ガスが衝突する部分に集中的に蓄熱することにより、燃料の気化をより促進させるためである。また同様の理由により、隔壁１２の上面１２ｂにおいて高熱伝導性材をコーティングする領域は、吸気バルブ７側（図１（ａ）の隔壁１２の右側）の端部一帯のみとすることも望ましい。

（隔壁１２の下面１２ｃについて）
一方、隔壁１２の下面１２ｃでは、隔壁部材１２ａに蓄熱された熱は下面１２ｃを介して下部通路６ｂに逃げることができなくなる。そのため、内燃機関１の始動直後のシリンダヘッド２への放熱を防止することができる。また、下部通路６ｂを通流する空気の膨張を防止することで制御バルブ１３が閉じたとき（下部通路６ｂが遮蔽されたとき）に下部通路６ｂに発生する循環流の減衰を防止することができる。さらに、内燃機関１の暖気後であれば、内燃機関１の体積効率の低下を防止することもできる。

（吸気ポート６の内壁について）
以上隔壁１２の上面１２ｂ及び下面１２ｃについて説明してきたが、吸気ポート６の内壁について補足する。吸気ポート６の内壁（の全面）も断熱材でコーティングすることが望ましい。これは、内燃機関１の始動時であれば、燃焼室５から吸気ポート６に吹き返された高温の燃焼ガスによる熱がシリンダヘッド２へ逃げてしまうのを防止できるからである。また、内燃機関１の暖気後であれば、シリンダヘッド２から吸気ポート６への熱伝導を遮断することで上部通路６ａを通流する新気の温度上昇を防止して内燃機関１における体積効率の低下を防止できるからである。

（隔壁１２とシリンダヘッド２との取り付け構造について）
続いて、上記の隔壁１２とシリンダヘッド２との取り付け構造について説明する。図２は、隔壁１２とシリンダヘッド２との取り付け構造を説明する図である。図２（ａ）は、隔壁１２を上側から見た模式図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ―Ａの断面図である。

図２（ａ）に示すように隔壁１２は、吸気ポート６の外側（シリンダヘッド２の側）に延びた両側縁部１２ｄを有している。図２（ｂ）に示すように、この両側縁部１２ｄにおいて隔壁１２は、シリンダヘッド２に例えば締まり嵌めで差し込まれて取り付けられる構成になっている。

このとき両側縁部１２ｄ、すなわち隔壁１２がシリンダヘッド２と接触する部分（隔壁部材１２ａの上面１２ｂも含む）には断熱材がコーティングされている。これにより、隔壁１２とシリンダヘッド２との熱交換を防止することができる。すなわち、内燃機関１の始動時において隔壁１２からシリンダヘッド２へ熱が逃げてしまったり、内燃機関１の暖気後においてシリンダヘッド２から隔壁１２に熱が伝わったりするのを防止できる。

また、図２（ｂ）に示すように隔壁１２はシリンダヘッド２と別構造となっている。このように構成することで、隔壁１２へのコーティング（例えば膜溶射加工によるコーティング）が容易になるという利点がある。なお、前述のように隔壁１２がシリンダヘッド２に締まり嵌めで差し込まれて取り付けられることで、隔壁１２の断熱材のコーティングがある程度剥がれた場合であっても断熱効果を維持することができるという利点もある。

（隔壁１２をディンプル構造とした場合について）
図３は、隔壁１２をディンプル構造とした場合を説明する図である。図３（ａ）は、ディンプル構造とした隔壁１２を上側から見た模式図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂの断面図である。

図３（ａ）及び（ｂ）に示す隔壁１２は、上面１２ｂから下面１２ｃに向かって窪んだディンプル１２ｅが多数形成されたディンプル構造である。このように構成することで、隔壁１２の表面積を拡大させ、隔壁部材１２ａにおける蓄熱量や放熱量を増加させることができるという利点がある。また、かかるディンプル１２ｅの周辺に強制的に小規模乱流を生成させることで、隔壁１２の吸気バルブ７側の端部での大規模乱流の生成を抑制させることが可能になる。これにより、熱伝達率を向上させたり燃焼室５における混合気の流動（タンブル）のサイクル変動を低減して燃焼安定性を向上させることができるという利点がある。

その他、吸気ポート６に噴射された燃料の気化（霧化）を促進させることができるという利点や隔壁部材１２ａに対する高熱伝導性材や断熱材のコーティングが容易になるという利点がある。

[第２の実施形態]
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態では、前述した第１の実施形態に係る内燃機関１の始動（冷間始動）時に、一定条件を満たした場合に燃焼室５内の燃焼ガスを吸気ポート６に強制的に吹き返す形態について説明する。

（システム構成）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る内燃機関１を備えたシステムの構成を示す図である。このシステムは、内燃機関１、ＥＣＵ（Engine Control Unit、内燃機関の制御装置）２０等を備えた構成である。なお、以下では前述の第１の実施形態（図１）と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

本実施形態に係る内燃機関１は、第１の実施形態に加えて、吸気カムシャフト１４を備えたものである。この吸気カムシャフト１４は、吸気バルブ７の開閉タイミングを可変的に制御するシャフトであり、その動作はＥＣＵ２０により制御される。

ＥＣＵ２０は、内燃機関１を制御するマイクロコントローラである。このＥＣＵ２０は、エンジン回転速度（Ｎ）、冷却水温度（Ｔｎ）、エンジン停止信号（Ｎｓ）、経過時間（Ｔｓ）を入力とし、吸気カムシャフト１４の動作切替信号を出力する。制御内容については後述する。なお、エンジン回転速度（Ｎ）はクランク角センサ（不図示）により検出される。冷却水温度（Ｔｎ）は冷却水温度センサ（不図示）により検出される。エンジン停止信号（Ｎｓ）はエンジン回転速度（Ｎ）が所定の基準値より小さくなったか否かにより検出される。経過時間（Ｔｓ）はＥＣＵ２０の内部タイマーにより検出される。

（制御ロジック）
図５は、ＥＣＵ２０の制御ロジックを示すフローチャートである。ＥＣＵ２０は、内燃機関１の始動時に図５に示す制御ロジックを実行する。

まず、冷却水温度（Ｔｎ）が所定の設定水温（Ｔｗｏ）よりも高いか否かを判定する（Ｓ１）。続いて、エンジン回転速度（Ｎ）が所定の設定回転速度（Ｎｏ）よりも大きいか否かを判定する（Ｓ２）。続いて、経過時間（Ｔｓ）、すなわち内燃機関１の始動後の経過時間が所定の設定時間（Ｔｓｏ）よりも大きいか否かを判定する（Ｓ３）。

ステップＳ１においてＹＥＳ、ステップＳ２においてＹＥＳ及びステップＳ３においてＹＥＳのいずれかの条件を満たす場合に、ステップＳ４へ移る。ステップＳ４へ移ると、ＥＣＵ２０は、吸気カムシャフト１４に対して第１の動作切替信号を送信する（Ｓ４）。第１の動作切替信号とは、吸気カムシャフト１４を始動時用動作から通常動作に切り替える信号である。始動時用動作については具体的に後述する。なお、通常動作とは吸気カムシャフト１４の通常の制御動作、つまり公知の制御動作である。

続いてステップＳ５へ移って、エンジン停止信号（Ｎｓ）を受信すると（Ｓ５）、続いてステップＳ６へ移って第２の動作切替信号を送信する（Ｓ６）。この第２の動作切替信号とは、吸気カムシャフト１４を通常動作から始動時用動作に切り替える信号である。

以上に示される制御ロジックにより、ＥＣＵ２０は、内燃機関１の始動（冷間始動）時に、上記の条件を満たした場合にステップＳ６の処理により吸気カムシャフト１４を始動時用動作に切り替える。

（始動時用動作について）
図６は、吸気カムシャフト１４の始動時用動作について説明する図である。

始動時用動作とは、図６のＣに示されるように、内燃機関１の膨張行程末期又は排気行程初期において、吸気バルブ７を短時間だけ（例えば一瞬）開くよう制御する動作である。

吸気バルブ７が開くと、図４の矢印のように燃焼室５から吸気ポート６へ高温の燃焼ガスが吹き返される。その後、吹き返された高温の燃焼ガスは吸気バルブ７に沿って上部通路６ａに通流する。そのため、吸気ポート６は内燃機関１の始動時であっても上部通路６ａに通流してきた高温の燃焼ガスの熱を用いることで燃料を気化させるのに十分な熱量を確保できる。

また、かかる熱を隔壁１２が蓄熱することで、燃料噴射弁１１から上部通路６ａに噴射された燃料の気化を促進させることができる。図７は、隔壁１２への蓄熱による効果を説明する図である。吸気ポート６に吹き返された高温の燃焼ガスの熱を隔壁１２が蓄熱したとき（図７（ａ）参照）には、隔壁１２が蓄熱しないとき、すなわち隔壁部材１２ａに高熱伝導性材や断熱材をコーティングしなかったとき（図７（ｂ）参照）に比べて吹き返された高温の燃焼ガスの熱を燃料の気化に早期に利用することができる。吹き返しから燃料噴射弁１１による噴射までは短時間であるためである（図６参照）。

（まとめ）
以上各実施形態について説明してきたが、本実施形態によれば内燃機関１は、隔壁１２と制御バルブ１３とが燃焼室５内にタンブルを発生させるので、混合気の燃焼の安定化やリーン化を図ることができる。また、隔壁１２を高熱伝導性材及び断熱材でコーティングすることでこの隔壁１２に蓄熱することが可能になるので、内燃機関１の始動時であってもこの隔壁１２に蓄熱された熱を用いることで内燃機関１の始動性の低下を防ぐことができる。

また、本実施形態によれば隔壁１２は、上面１２ｂ（上部通路６ａ側の面）のうちの燃焼室５から吸気ポート６へ吹き返した高温の燃焼ガスが衝突する部分にのみ、高熱伝導性材がコーティングされたものである。吹き返した高温の燃焼ガスが衝突する部分に集中的に蓄熱されるので、燃料の気化をより促進させることができる。

また、本実施形態によれば隔壁１２は、上面１２ｂ（上部通路６ａ側の面）であってもシリンダヘッド２に接触する部分には、断熱材がコーティングされたものである。これにより、隔壁１２とシリンダヘッド２との熱交換を防止することができる。

また、本実施形態によれば隔壁１２は、上面１２ｂ（上部通路６ａ側の面）から下面１２ｃ（下部通路６ｂ側の面）に向かって窪んだディンプルが多数形成されたものである。そのため、吸気ポート６に噴射された燃料の気化をより促進させたり隔壁部材１２ａに対する高熱伝導性材や断熱材のコーティングを容易にしたりことができる。

また、本実施形態によれば隔壁１２は、シリンダヘッド２とは別構造としている。そのため、隔壁１２へのコーティングを容易にすることができる。

また、本実施形態によればＥＣＵ２０は、内燃機関１の始動時の燃焼室５の膨張行程末期又は排気行程初期において、燃焼室５から吸気ポート６へ高温の燃焼ガスを吹き返すべく吸気バルブ７を開くよう制御する吸気バルブ制御手段（図５のステップＳ６）を備えている。始動時に吸気ポート６（上部通路６ａ）に高温の燃焼ガスを吹き返しているので、吸気ポート６は内燃機関１の始動時（特に冷間始動時）であっても燃料を気化させるのに十分な熱量を確保できる。

以上、本発明の各実施形態について説明したが、上記各実施形態は本発明の適用例の一つを示したものであり、本発明の技術的範囲を上記各実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、上記の第２の実施形態においては、図５を用いて内燃機関１の始動時の制御内容について説明したが、内燃機関１の暖気後の制御内容として吸気カムシャフト１４を通常動作に切り替える制御内容を実行するのが望ましい。

１ 内燃機関
２ シリンダヘッド
６ 吸気ポート
６ａ 上部通路
６ｂ 下部通路
７ 吸気バルブ
１１ 燃料噴射弁
１２ 隔壁
１２ａ 隔壁部材
１２ｂ 上面（上部通路６ａ側の面）
１２ｃ 下面（下部通路６ｂ側の面）
１３ 制御バルブ
１４ 吸気カムシャフト
２０ ＥＣＵ（内燃機関の制御装置）
ステップＳ６ 吸気バルブ制御手段

Claims (6)

1. シリンダヘッドに設けられた吸気ポートと、
   前記吸気ポートを開閉する吸気バルブと、
   前記吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記吸気ポートの内部を上下に二分して上部通路及び下部通路を形成する隔壁と、
   前記下部通路に設けられ、開度に応じて前記下部通路を通流する空気量を制御する制御バルブと、を備えた内燃機関であって、
   前記隔壁は、前記上部通路側の面には高熱伝導性材がコーティングされ、前記下部通路側の面には断熱材がコーティングされたものであることを特徴とする内燃機関。
2. 前記隔壁は、前記上部通路側の面のうちの燃焼室から前記吸気ポートへ吹き返した燃焼ガスが衝突する部分にのみ、高熱伝導性材がコーティングされたものであることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記隔壁は、前記上部通路側の面であっても前記シリンダヘッドに接触する部分には、断熱材がコーティングされたものであ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. 前記隔壁は、前記上部通路側の面から前記下部通路側の面に向かって窪んだディンプルが多数形成されたものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の内燃機関。
5. 前記隔壁は、前記シリンダヘッドとは別構造としたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の内燃機関。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の内燃機関を制御する内燃機関の制御装置であって、
   当該内燃機関の始動時の燃焼室の膨張行程末期又は排気行程初期において、前記燃焼室から前記吸気ポートへ燃焼ガスを吹き返すべく前記吸気バルブを短時間だけ開くよう制御する吸気バルブ制御手段を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。

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