JP2014009605A

JP2014009605A - 燃料直噴方式の液冷式内燃機関

Info

Publication number: JP2014009605A
Application number: JP2012145634A
Authority: JP
Inventors: Yuta Sekine; 雄太関根
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2012-06-28
Filing date: 2012-06-28
Publication date: 2014-01-20

Abstract

【課題】燃料直噴方式の内燃機関において、冷機状態で霧化燃料がシリンダボアの内面に付着することを、簡単な構造で防止する。
【解決手段】内燃機関は水冷式であり、機関本体に冷却水通路１８を設けている。吸気通路１０に介挿したインタークーラ１２と冷却水通路１８とを管路２９，３０で接続し、管路２９に切り替え弁３１を設けている。冷機運転時には、インタークーラ駆動ポンプ１６を停止して切り替え弁３１を開くことにより、インタークーラ１２で吸気を加温する。これにより、霧化燃料の気化が促進されて、シリンダボア３への燃料の付着を抑制できる。冷却水を利用するものであるため、汎用性に優れている。
【選択図】図１

Description

本願発明は、燃料直噴方式の液冷式内燃機関に関するものである。この場合、燃料直噴方式は点火プラグによる着火方式を好適な対象にしているが、圧縮着火を排除するものではない。

燃料直噴方式の内燃機関は小型で高出力を発揮できる等の利点があり、例えば車両用内燃機関として普及しているが、外気温度が低いと、始動してから機関が温まるまでの間に霧化燃料がシリンダボアの内面に付着し易くなる。そして、燃料がシリンダボアの内面に付着すると、潤滑油が燃料で希釈されて潤滑油の劣化が進んだり動力損失が増大したりするのみならず、燃料が無駄に消費されるため燃費も悪化するという問題が生じる。

この問題に対して特許文献１では、機関が冷機状態のときに、噴射された燃料の一部を吸気バルブに衝突させることで燃料の霧化を促進することが開示されている。また、燃料直噴方式に限らず、内燃機関一般において、排気ガスの一部を吸気通路に還流させて吸気を加温することも行われている。

特開平１１−２９４２０８号公報

特許文献１は、燃料の霧化を促進することでシリンダボアへの付着量低下を狙ったものであるが、機関が低温状態のときだけ燃料が吸気バルブに当たるように設定するには、吸気バルブの昇降タイミングを調節できねばならず、吸気弁がカムシャフトによって一律に昇降する一般的な動弁機構の内燃機関には適用できないという問題がある。すなわち、特許文献１は可変バルブタイミングの動弁機構を有する内燃機関にしか適用できず、コストが嵩むという問題がある。また、吸気バルブ近傍では燃料が濃い状態となりスモーク（黒煙）の発生が懸念される。

他方、排気ガスの一部を還流させる方式は吸気の加温効果では優れていると言えるが、機関が冷えている状態で排気ガスを還流すると燃焼変動を誘発しトルク変動が発生する要因となる。

本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。すなわち、本願発明は、例えば車両用内燃機関は一般に液冷式であることに着目し、機関冷却用の冷却液を有効利用して燃料の付着に関する問題を改善せんとするものである。

本願発明の内燃機関は、ピストンが摺動自在に嵌挿されたシリンダボアを有するシリンダブロックと、前記シリンダブロックに重ね固定されたシリンダヘッドとで機関本体を構成しており、前記機関本体には冷却液が通る冷却液通路が形成されており、かつ、前記シリンダブロックとピストンとシリンダヘッドとで囲われた燃焼室に、吸気口から新規空気が供給されると共に燃料噴射装置によって燃料が直接噴射される、という基本構成である。

そして、請求項１の発明では、上記基本構成において、前記吸気通路に新気を加温できる熱交換器が配置されており、前記機関本体で加温された冷却液の温度が予め定めた基準値より低くかつ前記新気空気の温度である吸気温度が前記冷却液の基準値より低い場合に、機関本体で加温された冷却液が前記熱交換器に送られるように設定されている。

さて、機関本体はシリンダブロックとシリンダヘッドとで構成されており、冷却液は、シリンダブロックからシリンダヘッドに流れたり、逆シリンダヘッドからシリンダブロックに流れたりして循環するが、本願発明では、機関本体における冷却液通路のどの部位から冷却液を取り出して熱交換器に流すかは必要に応じて任意に設定できる（但し、冷却液はできるだけ高温になっているのが好ましいので、冷却液通路の終端部から熱交換器に導くのが好ましいと言える。）。

冷却液の温度も測定場所で異なり得るが、どこかにポイントを定めておいたらよい。なお、内燃機関では冷却液の温度を検知するセンサを設けているが多いので、この温度センサによる検知温度を冷却液温度に設定すると合理的かつ経済的である。

本願発明は様々に具体化できる。その例として請求項２では、請求項１において、前記吸気温度が前記冷却液の温度より低い場合であっても、冷却液の温度又は機関の負荷若しくは機関温度のうちいずれか１つ又は複数の要因に基づき、熱交換器への冷却液の流入を抑制又は停止するように設定されている。

請求項の発明は、請求項１又は２において、前記吸気温度が前記冷却液の温度より低い場合であっても、冷却液の温度と吸気温度との差が予め設定した基準値より小さい場合は、前記熱交換器への冷却液の流入を抑制又は停止するように設定されている。

本願発明は内燃機関に必須と言える冷却液を利用して吸気を加温するものであるため、高価なバルブタイミング可変式の動辺機構を使用するのに比べてコスト面ですぐれており、一般性が高い。また、特許文献１のようなスモーク発生の問題も生じない。なお、吸気通路には、吸気を冷却するためのインタークーラを設けていることが多いが、実施形態のようにインタークーラを冷機時の吸気加温に兼用すると、コスト面で特に好ましい。

また、機関本体では、吸気をそのまま加温するものであるため、排気ガスを還流させた場合のようなトルク変動は発生しないと共に、排気ガスを還流させた場合のような充填効率の低下は発生しないため、リーンバーン運転にも的確に対応できる。

さて、内燃機関の運転の仕方はまちまちであり、例えば始動してから短時間で高負荷運転に移行する場合もあり、この場合、シリンダボアは高温になっていても冷却液は加温されていないこともある（すなわち、燃焼室の温度上昇と冷却液の温度上昇とにタイミングのずれが生じることがある。）。また、加温された冷却液を熱交換器に通すことで冷却液は降温するため、冷却液を熱交換器に流すことで機関本体の温度上昇が抑制されることになる。

そこで、請求項２のように、冷却液の温度、機関の負荷、機関温度を制御因子として、これらの値に基づいて熱交換器に流れる冷却液の量を制御することで、吸気の加温と機関の加温・冷却とのバランスをとることができる。例えば、冷却液の温度を例に取ると、冷却液の温度上昇率が設定値より高い場合は、シリンダボアの内面の温度も急激に高くなっていると言えるので、この場合は、吸気の加温を抑制又は停止することで、燃料の付着を防止しつつ充填効率を向上できる。

また、機関の負荷を例にとると、機関の負荷が例えばアイドリング状態より遙かに大きい場合は、強い爆発でシリンダボアの内面は高温になっていると言えるので、この場合も、冷却液が昇温していなくても燃料の付着は生じないと判断できるのであり、従って、この場合も吸気の加温を抑制又は停止することで、燃料の付着を防止しつつ充填効率を向上できる。機関温度についても同様である。

また、冷却液の昇温の程度が低い場合は、熱交換器への冷却液の供給を抑制又は停止して、機関の昇温を優先させることも可能である。つまり、吸気を加温することによるメリットよりも機関本体を加温させる暖気運転のメリットが大きい場合は、機関本体の加温を優先させることが可能である。

吸気の温度と冷却液の温度の差が小さい場合は、吸気の加温効果はさほど期待できない。そこで、請求項３の構成として、冷却水から吸気への熱交換を抑制又は停止して、昇温した冷却水の熱を機関の昇温に振り向けることで、熱の有効利用を図ることができる。

実施形態を示す模式図である。制御因子の関係を示す図である。

(1).構造の説明
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は車両用内燃機関に適用しており、図１では内燃機関の構成要素を模式的に示している。内燃機関は、シリンダブロック１とシリンダヘッド２とからなる機関本体を有している。本実施形態のなは３気筒であり、従って、シリンダブロック１は３つのシリンダボア３を有している。各シリンダボア３にはピストン４が摺動自在に嵌挿されており、各ピストン４は連接棒６を介してクランク軸７と連結されている。

シリンダヘッド２はシリンダボア３を覆うようにしてシリンダブロック１に重ね固定されており、シリンダボア３に対応した部位には屋根型等の燃焼用凹所（図示せず）が形成されており、この燃焼用凹所に、吸気バルブ（図示せず）で開閉される吸気口８が開口している。シリンダボア３とシリンダヘッド２とピストン５とで囲われた空間が燃焼室になる。そして、燃焼室には、シリンダヘッド２に設けた燃料噴射装置（図示せず）から霧化燃料が直接噴射され、この燃料に、シリンダヘッド２に設けた点火プラグによって点火される。

シリンダヘッド２には吸気マニホールド９が固定されており、吸気マニホールド９と各吸気口８は連通している。吸気マニホールド９には、エアクリーナ１１から始まる吸気通路１０が接続されており、吸気通路１０の中途部にインタークーラ１２が介挿されている。インタークーラ１２にはジグザグ状に曲がった長い細管１２ａが内蔵されおり、細管１２ａに冷却水を通すことで吸気（燃焼用新規空気）が冷却される。インタークーラ１２には流入管１３と出口管１４とを介して冷却器（ラジェータ）１５が接続されており、流入管１３にインタークーラポンプ１６が介挿されている。

内燃機関は機関本体を冷却するためのラジェータ１７を有している一方、シリンダブロック１とシリンダヘッド２とには、冷却水通路の一例として冷却水通路１８が形成されており、冷却水通路１８の入り口２１はラジェータ１７の出口にラジェータ送り管２２を介して接続され、冷却水通路１８の出口２３はラジェータ１７の入口にラジェータ戻り管２３を介して接続されている。正確に述べると、シリンダヘッド２の一端部にサーモスタット弁を有する分配部２４が形成されており、冷却水通路１８の地口２３は分配部２４を介してラジェータ１７の入口に接続されている。

また、ラジェータ送り管２２と分配部２４とはバイパス管２５で接続されており、冷却水の温度が下限値より低い場合は、サーモスタット弁（図示せず）の分流作用により、冷却水はラジェータ１７を通ることなく冷却水通路１８に送られる。冷却水の温度が下限値を超えると、ラジェータ１７に戻る冷却水の量は温度に比例して増加していき、冷却水の温度がある程度まで上昇すると、サーモスタット弁は全開になって冷却水は全量がラジェータ１７に戻る。なお、図示していないが、冷却水の循環経路の適宜部位にウォータポンプを設けている。また、分配部２４は、ヒータ戻り管路２６を介して車内暖房用ヒータ２８にも接続されており、ヒータ送り管路２８は冷却水通路１８の入口２１に接続されている。

インタークーラ１２と冷却水通路１８とは、送水管２９及び戻り管３０を介して接続されている。正確に述べると、インタークーラ１２を構成する細管１２ａの一端部に送水管２９が接続されて、細管１２ａの他端部に戻り管２９が接続されている。従って、本実施形態ではインタークーラ１２が請求項に記載した熱交換器を兼用している。

そして、送水管２９に、吸気を加温状態と非加温状態とに切り替える切り絵手段の一例として、遠隔操作可能な切り替え弁３１を設けている。切り替え弁３１として電磁弁も採用できるが、開度を調節した場合には電動モータ方式が好ましい。なお、切り替え弁３１を戻り管３０に設けてもよい。インタークーラ駆動ポンプ１６を停止して切り替え弁２９を開くことにより、インタークーラ１２の細管１２ａに流して、インタークーラ１２を吸気の加温手段と成すことができる。

なお、図では、送水管２９と戻り管３０は冷却水通路１８のうちシリンダヘッド２の箇所に位置した中途部に接続しているが、インタークーラ１２に送る冷却水はできるだけ温度が高いのが好ましいので、実際には、一点鎖線で示すように、冷却水通路１８の終端部（分配部２４）に接続するのが好ましい。

(2).制御機構及び制御方法
内燃機関は、インタークーラ駆動ポンプ１６と切り替え弁３１との駆動を制御する制御装置３２を備えている。制御装置３２はＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）の一部に組み込まれており、この制御装置３２に、吸気通路１０に設けた吸気温度センサ３３、冷却水通路１８の終端部に設けた冷却水温度センサ３４、シリンダブロック１のうちシリンダボア３の上部に近傍に設けた機関温度センサ３５、クランク軸７に設けた負荷センサ３６が電気的に接続されている。

そして、シリンダボア３への燃料の付着が懸念されるほどに機関温度が低い場合、冷却水の温度（出口温度）も低いため、冷却水の温度（冷却水温度）が設定された基準値よりも低くて、かつ吸気温度が冷却水温度より低い場合は、インタークーラ駆動ポンプ１６は停止して切り替え弁３１を開く。これにより、燃焼室に送られる吸気を加温することができ、その結果、燃焼室に噴射された燃料の気化を促進して、霧化燃料がシリンダボア３の内面に付着することを防止又は著しく抑制できる。

インタークーラ１２に流す冷却水の量は、様々な要素（因子）によって制御できる。制御要素と加温機能との関係を図２に例示している。図２では、基本要素としての冷却水温度と吸気温度の他に、他の制御要素として、冷却水温度と吸気温度との差、冷却水の上昇率、機関温度、機関温度の上昇率、負荷を挙げている。

冷却水温度と吸気温度との差は、基準値より低い場合はインタークーラ１２への送水の抑制・停止要因となる。つまり、温度差が小さいと吸気の加温効果はさほど期待できないのであり、ある程度の温度差が発生してからインタークーラ１２への送水を開始又は増加させるのが好ましい。

冷却水温度の上昇率は、大きいほど冷却水の抑制・停止要因になる。すなわち、冷却水の上昇率が高いということは、それだけ燃焼室の内面の温度が上昇しているということであり、霧化燃料はシリンダボア３に付着せずに蒸発しやすくなっている。機関温度及びその上昇率も同様である。

負荷も、大きいほどインタークーラ１２への送水の抑制・停止要因になる。すなわち、負荷が大きいことは燃焼室で強い爆発が起きていることと同義であり、更にこれは、シリンダボア３の内面が高温になっていることを意味している。

以上、本願発明の１つの実施形態を説明したが、本願発明は上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば、冷却液で吸気を加温する熱交換器としてはインタークーラを利用することには限らず、細管式やプレート式等の専用の熱交換器を採用することも可能である。

本願発明はガソリン直噴エンジンのような燃料直噴方式内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１シリンダブロック
２シリンダヘッド
３シリンダボア
４ピストン
７クランク軸
８吸気口
９吸気マニホールド
１０吸気通路
１１エアクリーナ
１２熱交換器の一例としてのインタークーラ
１３，１４インタークーラの配管
１６インタークーラ駆動ポンプ
１７ラジェータ
１８冷却水通路
２９，３０加温用の配管
３１切り替え手段の一例としての切り替え弁
３２制御手段（ＥＣＵ）
３３吸気温度センサ
３４冷却水温度センサ
３５機関温度センサ
３６負荷センサ

Claims

ピストンが摺動自在に嵌挿されたシリンダボアを有するシリンダブロックと、前記シリンダブロックに重ね固定されたシリンダヘッドとで機関本体を構成しており、前記機関本体には冷却液が通る冷却液通路が形成されており、かつ、前記シリンダブロックとピストンとシリンダヘッドとで囲われた燃焼室に、吸気口から新規空気が供給されると共に燃料噴射装置によって燃料が直接噴射される構成であって、
前記吸気通路に新気を加温できる熱交換器が配置されており、前記機関本体で加温された冷却液の温度が予め定めた基準値より低くかつ前記新気空気の温度である吸気温度が前記冷却液の基準値より低い場合に、機関本体で加温された冷却液が前記熱交換器に送られるように設定されている、
燃料直噴方式の液冷式内燃機関。
前記吸気温度が前記冷却液の温度より低い場合であっても、冷却液の温度又は機関の負荷若しくは機関温度のうちいずれか１つ又は複数の要因に基づき、熱交換器への冷却液の流入を抑制又は停止するように設定されている、
請求項１に記載した燃料直噴方式の液冷式内燃機関。
前記吸気温度が前記冷却液の温度より低い場合であっても、冷却液の温度と吸気温度との差が予め設定した基準値より小さい場合は、前記熱交換器への冷却液の流入を抑制又は停止するように設定されている、
請求項１又は２に記載した燃料直噴方式の液冷式内燃機関。