JP2019100186A - 内燃機関及び内燃機関への燃料供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の始動時において燃料の気化を促進し、着火性能を向上させることで未燃焼の炭化水素化合物の排出を抑制する。【解決手段】吸気ポート１２から燃料を燃焼室へ供給し、燃料を燃焼させることによって動力を得る内燃機関１００であって、内燃機関１００の始動時までに吸気ポート１２を昇温可能な熱媒体路２４を備え、内燃機関１００の始動時において、吸気バルブ１４を開弁したときに燃焼室から吸気ポート１２へ空気の逆流を生じさせると共に燃料を噴射する。【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関及び内燃機関への燃料供給方法に関する。

エンジンに隣接するようにインバータ装置を配置し、インバータ装置に含まれる半導体素子の発熱によって始動前のエンジンの暖機を促進させる構成が開示されている（特許文献１）。

また、エンジンの始動時に燃料加熱領域であると判定した場合、燃料加熱用のヒータに通電した後、スロットルの開度を全開付近に制御すると共にスタータによってクランキングを開始し、所定時間が経過するまで燃料噴射を禁止することでクランキングによって吸気ポートの圧力を低下させると共に筒内空気の圧縮熱で筒内温度を上昇させた状態とすることで、噴射された燃料の気化を促進させる技術が開示されている。さらに、燃料のアルコール濃度と冷却水温に応じて燃料の気化特性が変化するのに対応して、スタータの回転速度を変化させてクランキングによる吸気ポートの圧力の低下効果と筒内温度上昇効果を変化させて燃料の気化を確実にする技術にも言及されている（特許文献２）。

また、冷間始動時に吸気バルブの開弁時期を変更することで吸気バルブが開弁したときに吸気ポートへ流れる排気の吹き返し量を推定し、冷間始動時から吸気バルブの温度が燃料を気化できる温度に上昇するまでは吹き返し量に応じて燃料噴射タイミングを制御する技術が開示されている（特許文献３）。

特開２００６−３３６５２６号公報 特開２００９−００２３１４号公報 特開２０１０−２７５９３２号公報

ところで、インバータ装置等の半導体素子の発熱を利用してエンジンの暖機を行う場合、十分な熱量を得ることができず、暖機を十分に行うことができなかった。また、エンジンの暖機によって冷却水が高温となるため、暖機終了後はインバータ装置を冷却するための構成を設ける必要があった。

また、電気ヒータを用いてエンジンを加熱する構成では、電気ヒータによる消費電力が大きくなるという問題があった。また、クランキングによる吸気ポートを負圧にする効果が小さいという課題があった。さらに、燃料の噴射後において吸気ポートの壁面に付着した燃料は冷やされてしまい、燃料を十分に気化することができない。

また、バルブ開閉時期を制御する構成を設ける場合、制御機構の構造が複雑化し、製造コストが増加する等の問題があった。また、エンジン始動時において燃料の噴射が多い場合に燃料を十分に気化させることができなかった。さらに、吸気バルブ等の温度が上昇するまでに時間を要してしまうという問題もあった。

本発明の１つの態様は、吸気ポートから燃料を燃焼室へ供給し、燃料を燃焼させることによって動力を得る内燃機関であって、内燃機関の始動時までに前記吸気ポートを昇温可能な加熱手段を備え、内燃機関の始動時において、吸気バルブを開弁したときに前記燃焼室から前記吸気ポートへ空気の逆流を生じさせると共に燃料を噴射することを特徴とする内燃機関である。

ここで、ハイブリッド車に搭載されており、前記加熱手段は、モータジェネレータを含む電気駆動系の排熱によって暖められた熱媒体で前記吸気ポートを昇温することが好適である。

また、内燃機関の始動時までに前記モータジェネレータによりクランキングを行うことが好適である。

また、前記加熱手段は、電気ヒータを含み、前記電気ヒータによって前記吸気ポートを昇温することが好適である。

本発明の別の態様は、吸気ポートから燃料を燃焼室へ供給し、燃料を燃焼させることによって動力を得る内燃機関への燃料供給方法であって、内燃機関の始動時までに前記吸気ポートを昇温し、内燃機関の始動時において、吸気バルブを開弁したときに前記燃焼室から前記吸気ポートへ空気の逆流を生じさせると共に燃料を噴射することを特徴とする内燃機関への燃料供給方法である。

本発明によれば、内燃機関の始動時において燃料の気化を促進することができ、着火性能を向上させることで未燃焼の炭化水素化合物の排出を抑制することができる。

本発明の実施の形態における内燃機関の構成を示す図である。 本発明の実施の形態における内燃機関の燃料供給方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態における内燃機関の燃料供給方法を説明する図である。 本発明の実施の形態における吸気ポート内の圧力と燃料に与えられる運動量との関係を示す図である。 本発明の実施の形態における吸気ポート内の圧力をパラメータとしたクランク角と燃料に与えられる運動量との関係を示す図である。

本発明の実施の形態における内燃機関１００は、図１に示すように、エンジン１０２、冷却器１０４及び熱交換器１０６を含んで構成される。エンジン１０２は、燃焼室内にて燃料を燃焼させることによって動力を出力する。なお、図１では、エンジン１０２において発明の説明に必要な主要部のみを示している。

本実施の形態では、内燃機関１００は、ハイブリッド車に搭載されているものとし、モータジェネレータ２００と共に車両に対して走行用の駆動力を供給するものとする。

エンジン１０２は、図１に示すように、シリンダヘッド１０、吸気ポート１２、吸気バルブ１４、排気ポート１６、排気バルブ１８、ピストン２０、燃料噴射弁２２、熱媒体路２４及び伝熱抑制部２６を含んで構成される。

シリンダヘッド１０は、エンジン１０２においてシリンダブロックと組み合わせて用いられ、シリンダブロットと共にエンジン１０２の燃焼室の一部を構成する。シリンダヘッド１０には、吸気ポート１２及び排気ポート１６が連通して設けられる。吸気ポート１２は、エンジン１０２の燃焼室に空気及び燃料を供給するための通路である。吸気ポート１２と燃焼室との間には吸気バルブ１４が設けられる。吸気バルブ１４は、燃焼室へ空気及び燃料を供給するタイミングで閉状態から開状態とされる。排気ポート１６は、エンジン１０２の燃焼室から排気ガスを排出するための通路である。排気ポート１６と燃焼室との間には排気バルブ１８が設けられる。排気バルブ１８は、燃焼室から排気ガスを排出するタイミングで閉状態から開状態とされる。ピストン２０は、燃焼室内での燃料の燃焼によって上下運動させられることで動力を得るための部材である。燃料噴射弁２２は、噴孔から燃料を噴射させるための弁を備え、所望のタイミングで吸気ポート１２内に燃料を噴射させる。

本実施の形態のエンジン１０２は、さらに熱媒体路２４及び伝熱抑制部２６を備える。熱媒体路２４は、熱媒体（例えば、水等）の流路である。熱媒体路２４は、吸気ポート１２の壁面周辺に設けられ、熱媒体によって吸気ポート１２の壁面を昇温することを可能とする。伝熱抑制部２６は、熱媒体路２４を流れる熱媒体によって加熱させた吸気ポート１２を他の部材と断熱するための部材である。伝熱抑制部２６は、熱媒体路２４の周辺を取り囲むように設けることが好適である。

冷却器１０４及び熱交換器１０６は、エンジン１０２の熱媒体路２４へ供給される熱媒体の温度を調整するための構成である。冷却器１０４は、ラジエータやファン等を含んで構成され、熱媒体から熱を奪って冷却するために用いられる。熱交換器１０６は、モータジェネレータ２００を用いることによって発生した熱を熱媒体へ伝達して昇温するために用いられる。

なお、モータジェネレータ２００のみならず、車両に搭載されている電気駆動系の排熱によって熱交換器１０６を介して熱媒体を昇温するものとしてもよい。電気駆動系には、例えば、モータジェネレータ２００を制御するためのコンバータやインバータが含まれる。

以下、図２のフローチャートを参照しつつ、本実施の形態における内燃機関１００への燃料供給方法について説明する。本実施の形態では、エンジン１０２の始動時における燃料の燃焼特性を向上させるための燃料供給方法について説明する。したがって、初期状態では、エンジン１０２は始動前であり、暖機が行われていない状態であるとする。

ステップＳ１０では、図３（ａ）に示すように、吸気ポート１２の壁面の昇温が行われる。モータジェネレータ２００の排熱を利用して、熱交換器１０６を介して熱媒体を昇温し、当該熱媒体を熱媒体路２４に循環させることによって吸気ポート１２の壁面の温度を上昇させる。例えば、吸気ポート１２の壁面が４０℃以上となるように昇温することが好適である。

ステップＳ１２では、吸気ポート１２に負圧を発生させる。スロットルを閉じた状態においてクランキングを行うことによって吸気ポート１２内を負圧にすることができる。このとき、モータジェネレータ２００の回転を利用してクランキングを行うことによって、一般的なスタータを用いたクランキングよりも負圧の程度を高めることができる。

ステップＳ１４では、図３（ｂ）に示すように、エンジン１０２の燃焼を開始する１サイクル目の燃料噴射が行われる。吸気バルブ１４を開く直前において、燃料噴射弁２２から吸気バルブ１４の方向へ向けて燃料を噴射する。

ステップＳ１６では、図３（ｃ）に示すように、吸気バルブ１４を開く制御が行われる。吸気バルブ１４が開くと、吸気ポート１２内の圧力がエンジン１０２の燃焼室内（筒内）の圧力に対して負圧になっていることで、エンジン１０２の燃焼室（筒内）の空気が吸気ポート１２へと逆流する。これにより、ステップＳ１２において吸気ポート１２内に噴射された燃料を逆流させて吸気ポート１２の壁面に近づけさせたり、付着させたりする。

吸気ポート１２の壁面は昇温されているので、吸気ポート１２の壁面に付着又は近接した燃料は加熱され、燃料の気化が促進される。これにより、燃料の液膜化を抑制することができる。

図４は、吸気ポート１２内の圧力と燃料に与えられる運動量の関係を示す図である。吸気ポート１２内の圧力を−４０ｋＰａ以下の負圧とすることによって、吸気ポート１２内に噴霧された燃料を燃焼室側（下流側）から吸気ポート１２内側（上流側）へ押し戻す運動量が増加する。したがって、ステップＳ１２において、吸気ポート１２内の圧力は−４０ｋＰａ以下とすることが好適であり、−７０ｋＰａ程度にすることがより好適である。

図５は、吸気ポート１２内の圧力をパラメータとして、エンジン１０２のクランク角に対して逆流が燃料の噴霧に与える運動量の大きさを示す。図５の横軸はエンジン１０２のクランク角（３６０°が上死点）、縦軸は燃焼室側（下流側）から吸気ポート１２内側（上流側）に向かう方向の運動量の大きさを示す。図５の拡大図に示されるように、吸気ポート１２内の負圧が−６７．２ｋＰａのときにクランク角が３５０°〜３９０°付近の運動量が負の方向に大きくなっている。すなわち、この条件において吸気ポート１２の下流側から上流側へ燃料の噴霧に与えられる運動量が大きくなることを示しており、燃料の逆流が大きくなる。さらに、クランク角の変化に応じて燃料の噴霧に与えられる運動量の変化量も大きくなっている。したがって、クランク角の変化に伴って、燃料が近接又は付着する吸気ポート１２の壁面の位置（領域）も変化する。これにより、吸気ポート１２の壁面に対して薄く広く燃料を近接又は付着させることができる。したがって、吸気ポート１２の壁面の広範囲の領域から燃料を効率的に昇温することができる。燃料の下流側から上流側への運動量の増加は、吸気ポート１２内の負圧が−４０ｋＰａ以下の範囲において顕著となり、−７０ｋＰａ程度まで運動量の大きさ及びクランク角に対する運動量の分散は増加する。

ただし、図５は一例であり、エンジン１０２の構成や容量、運転の状況等に応じてクランク角と燃料の噴霧に与えられる運動量の大きさの関係は変化する。したがって、最適な吸気ポート１２内の圧力（負圧）の程度は適宜決定することが好適である。

ステップＳ１８では、エンジン１０２が吸気行程へ移行する。吸気行程に移行すると、図３（ｄ）に示すように、吸気ポート１２からエンジン１０２の燃焼室内（筒内）へ燃料及び空気の混合気が吸気される。このとき、ステップＳ１６において、吸気ポート１２の壁面付近の燃料も十分に気化された状態で燃焼室内（筒内）へ供給される。

ステップＳ２０では、燃料が燃焼させられ、エンジン１０２が膨張行程に移行する。このとき、図３（ｅ）に示すように、燃料の燃焼に伴って吸気バルブ１４が加熱される。

その後は、図３（ｆ）に示すように、暖機が進行すると共にスロットルの開度を大きくしていき、吸気ポート１２内に噴射された燃料の逆流が少なくなっていくようにする。

なお、本実施の形態では、吸気ポート１２を昇温するための加熱手段として熱媒体路２４及び伝熱抑制部２６を設けたが、これに限定されるものではない。例えば、熱媒体路２４及び伝熱抑制部２６に併設して、又は、熱媒体路２４及び伝熱抑制部２６に代えて電気ヒータを吸気ポート１２の加熱手段として設けてもよい。この場合、ステップＳ１０において、電気ヒータを用いて吸気ポート１２の壁面を昇温させる。

なお、従来の電気ヒータを用いてエンジン全体を加熱する構成に比べて、本実施の形態では吸気ポート１２の壁面のみを加熱する構成とすればよいので、電気ヒータによる消費電力を抑制することができる。

１０ シリンダヘッド、１２ 吸気ポート、１４ 吸気バルブ、１６ 排気ポート、１８ 排気バルブ、２０ ピストン、２２ 燃料噴射弁、２４ 熱媒体路、２６ 伝熱抑制部、１００ 内燃機関、１０２ エンジン、１０４ 冷却器、１０６ 熱交換器、２００ モータジェネレータ。

Claims (5)

1. 吸気ポートから燃料を燃焼室へ供給し、燃料を燃焼させることによって動力を得る内燃機関であって、
   内燃機関の始動時までに前記吸気ポートを昇温可能な加熱手段を備え、
   内燃機関の始動時において、吸気バルブを開弁したときに前記燃焼室から前記吸気ポートへ空気の逆流を生じさせると共に燃料を噴射することを特徴とする内燃機関。
2. 請求項１に記載の内燃機関であって、
   ハイブリッド車に搭載されており、
   前記加熱手段は、モータジェネレータを含む電気駆動系の排熱によって暖められた熱媒体で前記吸気ポートを昇温することを特徴とする内燃機関。
3. 請求項２に記載の内燃機関であって、
   内燃機関の始動時までに前記モータジェネレータによりクランキングを行うことを特徴とする内燃機関。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に内燃機関であって、
   前記加熱手段は、電気ヒータを含み、前記電気ヒータによって前記吸気ポートを昇温することを特徴とする内燃機関。
5. 吸気ポートから燃料を燃焼室へ供給し、燃料を燃焼させることによって動力を得る内燃機関への燃料供給方法であって、
   内燃機関の始動時までに前記吸気ポートを昇温し、
   内燃機関の始動時において、吸気バルブを開弁したときに前記燃焼室から前記吸気ポートへ空気の逆流を生じさせると共に燃料を噴射することを特徴とする内燃機関への燃料供給方法。