JP2015161239A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料を噴射するインジェクタの昇温に起因するデポジットの生成、堆積を抑制する。【解決手段】燃料を噴射するインジェクタ１１を吸気ポート５２に配置したポート噴射式の内燃機関において、内燃機関の停止後にインジェクタ１１の先端部に空気を噴射する空冷機構６を設けた。空冷機構６は、例えば、インジェクタ１１の先端部に向けて圧縮空気を噴出させるノズル６１と、当該空気噴出ノズル６１に圧縮空気を供給する空気供給手段とを要素とする。空気噴出ノズル６１は、吸気通路３におけるインジェクタ１１の先端部よりも上流側に設置する。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料を噴射するインジェクタを吸気ポートに配置したポート噴射式の内燃機関に関する。

吸気ポートに向けて燃料を噴射するポート噴射式の内燃機関において、気筒に流入する吸気に燃料を好適に混交せしめるべく、インジェクタをシリンダヘッドに組み付け、インジェクタをより燃焼室に近い位置に配置する試みがなされている。

吸気ポートは燃焼室に隣接している。インジェクタを燃焼室に近づけた場合、これが吸気ポート内の高温の雰囲気に曝される上、燃焼室の天井部を構成するシリンダヘッドからも熱伝導を受けることとなる。結果、インジェクタの（噴孔を有する）先端部の温度が顕著に上昇する。

インジェクタの先端部の温度上昇は、当該インジェクタから噴射された燃料の気化を促進し、その気化潜熱による燃焼室内温度の低下をもたらす。つまり、ノッキングの防止（そして、ノッキングの抑制のための点火タイミングの遅角化の回避）にとって有利である。

反面、インジェクタにデポジットが付着、堆積しやすくなるという副作用を招く。とりわけ、内燃機関の運転停止直後の時期（デッドソーク）に、冷却水の循環及び吸気の流通が停止することで放熱作用が失われ、インジェクタ周辺の温度が上昇する。その昇温が、インジェクタの先端部に残留した燃料の変質ひいてはデポジットの発生を促進する。

インジェクタへのデポジットの堆積その他の不具合を回避するべく、インジェクタの近傍に相変化により冷熱を吸収／放出する潜熱蓄冷材を配設することも考えられている（例えば、下記特許文献を参照）。だが、蓄冷材を配設するスペースの確保が難しい上、コストが増加するきらいもある。

特開２０１３−１８５４５２号公報

本発明は、燃料を噴射するインジェクタを吸気ポートに配置したポート噴射式の内燃機関において、内燃機関の停止後におけるインジェクタへのデポジットの堆積を抑制することを所期の目的としている。

本発明では、燃料を噴射するインジェクタを吸気ポートに配置したポート噴射式の内燃機関において、内燃機関の停止後にインジェクタの先端部に空気を噴射する空冷機構を設けたことを特徴とする内燃機関を構成した。

前記空冷機構の一部をなす空気噴出ノズルは、吸気通路におけるインジェクタの先端部よりも上流側の部位に配置することが好ましい。

本発明によれば、内燃機関の停止後におけるインジェクタへのデポジットの付着、堆積を抑制することが可能である。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の概略構成を示す図。 同実施形態の内燃機関の燃焼室及び吸気ポートの周辺部を拡大して示す断面図。 本発明の変形例の一に係るインジェクタを拡大して示す断面図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態の内燃機関は、火花点火式の４ストロークガソリンエンジンであり、複数の気筒１（特に、三気筒エンジン。図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。

燃料を噴射して気筒１に供給するインジェクタ１１は、各気筒１の吸気ポート５２近傍に設ける。図２に、気筒１の燃焼室５１及び吸気ポート５２周辺の部位を拡大して示す。本実施形態では、インジェクタ１１をできる限り燃焼室５１に近い位置に配置するべく、インジェクタ１１を吸気マニホルド３４でなくシリンダヘッド５に支持させている。インジェクタ１１は、気筒１の燃焼室５１に連通する吸気ポート５２毎に、吸気ポート５２の数と同数配備する。一つの気筒１に二つの吸気ポート５２を有する態様の内燃機関では、各気筒１毎に二個のインジェクタ１１を設置することになる。

また、各気筒１の燃焼室５１の天井部に、点火プラグ１２を取り付けている。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポート５２へと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させたことで生じる排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通するＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３３に接続している。

しかして、本実施形態の内燃機関には、当該内燃機関の運転の停止中に、インジェクタ１１の燃料を噴射する噴孔を有した先端部を空冷するための空冷機構６を配設している。

空冷機構６は、インジェクタ１１の先端部に向けて圧縮空気を噴出させるノズル６１と、当該空気噴出ノズル６１に圧縮空気を供給する空気供給手段（図示せず）とを要素とする。

図２に示すように、空気噴出ノズル６１は、吸気通路３におけるインジェクタ１１の先端部よりも上流側に設置する。詳細には、吸気通路３における燃焼室５１に近い側の壁面、即ち図２における下方の壁面に空気噴出ノズル６１の先端部を配置している。これに対し、インジェクタ１１の先端部は、吸気通路３における燃焼室５１から離反する側の壁、即ち図２における上方の壁面に配置している。換言すれば、空気噴出ノズル６１（の先端部）とインジェクタ１１（の先端部）とが、吸気通路３を挟んで上下に離間している。空気噴出ノズル６１は、インジェクタ１１毎に、インジェクタ１１の数と同数配備することが好ましい。一つの気筒１に二つの吸気ポート５２を有し、各気筒１毎に二個のインジェクタ１１を設けている内燃機関にあっては、各気筒１毎に二個の空気噴出ノズル６１を設置することになる。

空気供給手段は、例えば、内燃機関の停止中も稼働可能な電動ポンプである。この電動ポンプは、車載のバッテリに蓄えている電力を利用して外気を吸引、吐出し、空気噴出ノズル６１に連なる圧縮空気流路６２に向けて圧送する。及び／または、空気供給手段として、圧縮空気を蓄える蓄圧タンクを設置することも考えられる。蓄圧タンクは、内燃機関の運転中にクランクシャフトから回転トルクの伝達を受けて稼働する機械式のポンプまたは電動ポンプが吐出する圧縮空気を蓄えておくもので、内燃機関の停止後にその蓄えていた圧縮空気を圧縮空気流路６２に向けて供給する。

内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する吸気温・吸気圧センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｄ、内燃機関の温度を示唆する冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｅ、外気温を検出する外気温センサから出力される外気温信号ｆ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号ｇ、大気圧を検出する大気圧センサから出力される大気圧信号ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、要求ＥＧＲ量（または、ＥＧＲ率）等といった運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌを出力インタフェースを介して印加する。

また、ＥＣＵ０は、本実施形態における空気供給手段を構成する電動ポンプに対して、当該電動ポンプを稼働させるための制御信号ｍを出力する。あるいは、空気供給手段が蓄圧タンクである場合には、当該蓄圧タンクと空気噴出ノズル６１との間に介在するバルブ（図示せず）を開閉するための制御信号ｍを出力する。

内燃機関の運転が停止したとき、ＥＣＵ０は、空気供給手段たる電動ポンプを稼働させて圧縮空気を空気噴出ノズル６１に供給し、及び／または、蓄圧タンクと空気噴出ノズル６１との間に介在するバルブを開放して蓄圧タンクに蓄えていた圧縮空気を空気噴出ノズル６１に供給する。これにより、空気噴出ノズル６１からインジェクタ１１の先端部に向けて空気が噴射され、インジェクタ１１の先端部が空冷される。

図２に太い矢印で表しているように、空気噴出ノズル６１から噴出した空気は、吸気通路３の上流側から下流側に向かって、かつ吸気通路３の燃焼室５１側（下方）の壁面から反燃焼室５１側（上方）の壁面に向かって流れ、インジェクタ１１の先端部に当たる。

インジェクタ１１の先端部に当たった空気は、吸気ポート５２（または、吸気バルブ５３）の箇所で反転し、今度は吸気通路３の下流側から上流側に向かって、吸気通路３の反燃焼室５１側の壁面に沿うように流れる。この空気の層は、気筒１の燃焼室５１から立ち上る熱が直にインジェクタ１１の先端部を加熱することを妨げる働きをする。

なお、内燃機関の停止中、スロットルバルブ３２は僅かながら開いている。

空気噴出ノズル６１からインジェクタの先端部１１に向けた空気の噴射は、連続して行ってもよいし、断続的（間欠的）に行ってもよい。空気噴出ノズル６１から空気を断続的に噴出させるためには、空気供給手段たる電動ポンプを断続的に稼働させるか、蓄圧タンクと空気噴出ノズル６１との間に介在するバルブを反復的に開閉すればよい。

インジェクタ１１の先端部を空冷する期間、即ち空気噴出ノズル６１から空気を噴射する期間は、内燃機関の停止直後から、インジェクタ１１の先端部及びその周辺の温度が十分に低下してデポジットが生成される可能性がほぼなくなるまでとする。当該期間の長さは、常に一定としてもよいが、内燃機関の状態等に応じて可変としてもよい。典型的には、内燃機関の停止後、冷却水温が所定値に低下するまでの間をインジェクタ１１の空冷期間として、空気噴出ノズル６１から空気を噴射する。

内燃機関の停止時の冷却水温が高いほど、内燃機関の停止時の吸気温が高いほど、及び／または、内燃機関の停止時の外気温が高いほど、インジェクタ１１の空冷期間を長くすることも考えられる。

内燃機関の停止前の運転状況に基づき、インジェクタ１１の空冷期間を伸縮させてもよい。例えば、内燃機関の停止前の一定期間におけるアクセル開度、気筒１に充填された吸気量または燃料噴射量の積算値が大きいほど、インジェクタ１１の空冷期間を長くする。

内燃機関（のクランクシャフト及びカムシャフトの回転）が完全に停止した時点で、何れかの気筒１の吸気バルブ５３が開弁している場合には、何れの気筒１の吸気バルブ５３も開弁していない場合と比較して、インジェクタ１１の空冷期間をより長く設定することも好ましい。吸気バルブ５３が開弁した状態であると、燃焼室５１内の高熱が吸気ポート５２を介してインジェクタ１１に伝わりやすくなるからである。この場合において、可能であれば、吸気バルブ５３が開弁している気筒１に付随するインジェクタ１１の空冷期間を、吸気バルブ５３が開弁していない気筒１に付随するインジェクタ１１の空冷期間よりも長くする。内燃機関の停止時点での各気筒１の吸気バルブ５３の状態、即ちクランクシャフト及び吸気カムシャフトの停止姿勢（絶対的な回転角度）は、内燃機関が停止する際のクランクシャフトの回転速度の低下の推移を基に推定することができる。

内燃機関の停止前にアイドリングのみが行われていたような場合には、インジェクタ１１の空冷期間を０とする、即ち内燃機関の停止後に空気噴出ノズル６１から空気を噴射しないこともあり得る。

本実施形態では、燃料を噴射するインジェクタ１１を吸気ポート５２に配置したポート噴射式の内燃機関において、内燃機関の停止後にインジェクタ１１の先端部に空気を噴射する空冷機構６を設けた。

本実施形態によれば、内燃機関の停止直後の時期（デッドソーク）にインジェクタ１１の周辺に熱が溜まることを緩和しつつ、インジェクタ１１の先端部を空冷してデポジットの生成及び堆積を抑制することが可能である。従って、インジェクタ１１の燃料噴射性能を長期に亘り維持することができ、停止した内燃機関の再始動の安定化や、内燃機関の運転中の空燃比制御の精度の向上による燃費効率の良化、排気ガスに含まれる有害物質の排出量の削減に寄与する。

加えて、前記空冷機構６の一部をなす空気噴出ノズル６１を吸気通路３におけるインジェクタ１１の先端部よりも上流側の部位に配置したことから、空気噴出ノズル６１から吸気通路３の下流側に向けて噴出する空気により、気筒１の燃焼室５１から立ち上る熱気が直接インジェクタ１１に伝わるのを妨げることができる。つまり、内燃機関の停止後にインジェクタ１１の先端部が昇温することを抑制でき、より一層効果的にデポジットの発生を防止できる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態には限られない。上記実施形態では、吸気通路３上に空気噴出ノズル６１を設置し、空気噴出ノズル６１から吸気通路３を介してインジェクタ１１の先端部に空気を噴射していたが、これとともに、またはこれに代えて、図３に示すように、インジェクタ１１の先端部の傍らに圧縮空気流路６３を設け、この圧縮空気流路６３からインジェクタ１１の先端部に（吸気通路３を介することなく直接的に）空気を噴射する態様の空冷機構６を構成してもよい。

図３に示した変形例におけるインジェクタ１１は、その先端部に、噴射される高圧燃料が流通する燃料流通路１１１に連なる圧縮空気導入路１１２を有している。燃料流通路１１１は、インジェクタ１１を開閉する弁体（ニードル弁）よりも下流側に位置する。圧縮空気導入路１１２は、インジェクタ１１の軸心方向に対して直交する径方向に延伸し、インジェクタ１１の先端部の外周面に開口する。

他方、圧縮空気流路６３は、インジェクタ１１が嵌め込まれるシリンダヘッド５のインジェクタ挿入孔５４に連通するように、シリンダヘッド５内部に形成してある。圧縮空気流路６３は、上記実施形態における圧縮空気流路６２と同じく、空気供給手段たる電動ポンプ及び／または蓄圧タンクから圧縮空気の供給を受ける。そして、インジェクタ１１の先端部の外周に向けて、インジェクタ１１の側方から圧縮空気を噴出させる。その圧縮空気は、インジェクタ１１の先端部を外から冷却するだけでなく、インジェクタ１１に穿たれた圧縮空気導入路１１２を介して燃料流通路１１１に進入し、インジェクタ１１の先端部を内から冷却するとともに、燃料流通路１１１に残留する（デポジットの発生要因となる）燃料を吸気通路３側に排出する作用をも営む。

内燃機関の停止後のインジェクタ１１の空冷期間を、上記実施形態と同様に可変としてよいことは言うまでもない。

その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関に適用することができる。

１…気筒
１１…インジェクタ
３…吸気通路
５２…吸気ポート
６…空冷機構
６１…空気噴出ノズル

Claims (2)

1. 燃料を噴射するインジェクタを吸気ポートに配置したポート噴射式の内燃機関において、
   内燃機関の停止後にインジェクタの先端部に空気を噴射する空冷機構を設けたことを特徴とする内燃機関。
2. 前記空冷機構の一部をなす空気噴出ノズルを吸気通路におけるインジェクタの先端部よりも上流側の部位に配置した請求項１記載の内燃機関。

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