JP2020139449A

JP2020139449A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2020139449A
Application number: JP2019035146A
Authority: JP
Inventors: 克昌倉地; Katsumasa Kurachi
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2019-02-28
Filing date: 2019-02-28
Publication date: 2020-09-03

Abstract

【課題】ポート噴射式の内燃機関において、インジェクタから噴射する燃料が液状となって付着する量を減らし、その気化を促進する。【解決手段】インジェクタ１１から気筒１の吸気ポート１５に向けて燃料を噴射するポート噴射式の内燃機関であって、シリンダヘッドにおける吸気ポート１５の周辺に、ヒータ１７と、排気ポート１６の周辺を通過した後の冷却水が供給されるウォータジャケット１８とを設け、冷却水温が第一温度未満の低温であるとき、前記ヒータ１７を稼働させるとともに、前記ウォータジャケット１８を流通する冷却水を吸引して吐出するポンプの稼働を停止し、冷却水温が前記第一温度以上であるが当該第一温度よりも高い第二温度未満であるとき、前記ヒータ１７及び前記ポンプ１９をともに稼働させ、冷却水温が前記第二温度以上の高温であるとき、前記ヒータ１７の稼働を停止するとともに、前記ポンプを稼働させる内燃機関を構成した。【選択図】図２

Description

本発明は、車両等に搭載されるポート噴射式の内燃機関に関する。

周知の通り、ポート噴射式の内燃機関（例えば、下記特許文献を参照）では、インジェクタから気筒の吸気ポートに向けて燃料を噴射し、燃料を予め吸気通路を流れる吸入空気と予混合して気化させた上で、気筒の燃焼室に吸引させる。

特開２０１６−１８３５８３号公報

ポート噴射式の内燃機関にあっては、インジェクタから噴射した液状燃料が吸気通路ないし吸気ポートの内壁面に付着するポートウェットが発生する。そして、そのポートウェットの燃料が、気化せず液相のままで気筒の燃焼室内に流下することが起こり得る。

燃焼室内で液相を保っている燃料の液滴はプール燃焼を生じさせ、または蒸し焼きのような様相を呈し、粒子状物質（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ）を生成したり、局所的に空燃比をリッチ化させたりして、エミッションの悪化を招く。加えて、燃焼効率の悪化が、内燃機関の燃費性能の低下へと繋がる。

本発明は、ポート噴射式の内燃機関において、インジェクタから噴射する燃料が液状となって付着する量を減らし、その気化を促進することを所期の目的としている。

上述した課題を解決するべく、本発明では、インジェクタから気筒の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であって、シリンダヘッドにおける吸気ポートの周辺に、ヒータと、排気ポートの周辺を通過した後の冷却水が供給されるウォータジャケットとを設け、冷却水温が第一温度未満の低温であるとき、前記ヒータを稼働させるとともに、前記ウォータジャケットを流通する冷却水を吸引して吐出するポンプの稼働を停止し、冷却水温が前記第一温度以上であるが当該第一温度よりも高い第二温度未満であるとき、前記ヒータ及び前記ポンプをともに稼働させ、冷却水温が前記第二温度以上の高温であるとき、前記ヒータの稼働を停止するとともに、前記ポンプを稼働させる内燃機関を構成した。

本発明によれば、ポート噴射式の内燃機関において、インジェクタから噴射する燃料が液状となって付着する量を減らし、その気化を促進することができる。

本発明の一実施形態の内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。同実施形態の内燃機関の一つの気筒の吸気通路及び吸気ポートの周辺部位を示す側断面図。同実施形態の内燃機関の一つの気筒に付設するウォータジャケットを模式的に示す平断面図。同実施形態の内燃機関における冷却水温とヒータ及びポンプのそれぞれの稼働率との相関を示す図。

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。本実施形態における内燃機関は、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（例えば、三気筒。図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。４ストロークエンジンでは、気筒１の吸気行程−圧縮行程−膨脹行程−排気行程の一連を一サイクルとする。

各気筒１の吸気バルブ１３よりも上流、各気筒１に連なる吸気ポート１５の近傍には、吸気ポート１５に向けて燃料を噴射するインジェクタ１１を設ける。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。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起こすものである。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。

吸気を気筒１に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１５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。

排気を気筒１から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１６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。

排気ガス再循環（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）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外部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、特にサージタンク３３に接続している。

図２及び図３に示すように、本実施形態の内燃機関のシリンダヘッドには、ヒータ１７及びウォータジャケット１８を設けている。ヒータ１７は、例えば通電することで発熱する既知のもので、各気筒１の吸気ポート１５の周辺に位置し、吸気ポート１５の内壁面を加温する機能を有する。

ウォータジャケット１８は、各気筒１の排気ポート１６の周辺を通過した後の冷却水を各気筒１の吸気ポート１５の周辺へと導くことで、排気から受熱した冷却水により吸気ポート１５の内壁面を加温する作用を営む。ウォータジャケット１８上には、当該ウォータジャケット１８を循環する冷却水を吸引し吐出するポンプ１９を設置する。ポンプ１９は、例えば電動の既知のものである。

本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）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。ＥＣＵ０は、複数基のＥＣＵまたはコントローラが、ＣＡＮ（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）等の電気通信回線を介して相互に通信可能に接続されてなるものであることがある。

ＥＣＵ０の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、内燃機関の出力軸である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クランク角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、要求されるエンジン負荷率）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、内燃機関の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ｄ、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温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、気筒１を内包しているシリンダブロックの振動の大きさを検出する振動式のノックセンサから出力される振動信号ｆ、吸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。

ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、火花点火装置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（開弁）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、ヒータ１７に対してこれを制御する信号ｍ、ポンプ１９に対してこれを制御する信号ｎ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、現在の内燃機関の運転領域［エンジン回転数，アクセル開度（または、サージタンク３３内吸気圧、気筒１に吸入される空気（新気）量）］を知得する。そして、吸入空気量に見合った要求燃料噴射量、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率（または、ＥＧＲガス量）、ヒータ１７を稼働させるか否か、ポンプ１９を稼働させるか否か等といった各種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、ｍ、ｎを出力インタフェースを介して印加する。

また、ＥＣＵ０は、停止した内燃機関を始動（冷間始動であることもあれば、アイドルストップからの再始動であることもある）するにあたり、電動機（スタータモータまたはＩＳＧ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＳｔａｒｔｅｒＧｅｎｅｒａｔｏｒ））を稼働させるための制御信号ｏを電動機に入力し、当該電動機によりクランクシャフトを回転駆動するクランキングを行う。内燃機関の始動のためのクランキングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、加速するエンジン回転数が完爆判定値を超えたときに、完爆したものと見なして終了する。クランキングの終了条件となる完爆判定値は、内燃機関の冷却水温が低いほど高く設定する。

ポート噴射式の内燃機関にあっては、インジェクタ１１から噴射した液状燃料が吸気通路３ないし吸気ポート１５の内壁面に付着するポートウェットが発生する。そして、そのポートウェットの燃料が、気化せず液相のまま液滴として気筒１の燃焼室内に流下して侵入することが起こり得る。

燃焼室内で依然として気化せず液相を保っている燃料はプール燃焼を生じさせ、または蒸し焼きのような様相を呈して、ＰＭを生成する原因となる。また、燃焼室内で局所的に空燃比をリッチ化させ、ＨＣ、ＣＯ等の有害物質の排出量を増大させることにも繋がる。

液状燃料の問題は、特に、冷間始動直後の時期のような、内燃機関の温度が比較的低い状況下にて顕在化する。当然ながら、内燃機関が低温であるほど、付着した液状燃料が気化しにくい。既に暖機が完了しており内燃機関が十分に高温であるならば、液状燃料が一旦付着したとしてもそれは容易に気化する。

そこで、本実施形態のＥＣＵ０は、インジェクタ１１から噴出する燃料が液状となって付着する量を減らし、その気化を促進することを企図して、吸気ポート１５の周辺に設けたヒータ１７、及びウォータジャケット１８の冷却水の流通を制御する。

詳述すると、ＥＣＵ０は、内燃機関の冷却水温（特に、吸気ポート１５の周辺にあるウォータジャケット１８内の冷却水の温度）が第一温度Ｔ１未満の低温であるときに、ヒータ１７に通電してこれを稼働させ、当該ヒータ１７により吸気ポート１５を加熱して昇温させる。その一方で、ポンプ１９は稼働させずに停止した状態とし、ウォータジャケット１８における排気ポート１６側から吸気ポート１５側に向かう冷却水の流動を制止する。第一温度Ｔ１は、比較的低い温度、例えば約４０℃に設定する。

そして、ＥＣＵ０は、内燃機関の冷却水温が第一温度Ｔ１以上（但し、後述する第二温度Ｔ２未満）となったときに、ヒータ１７を稼働させてこれにより吸気ポート１５の内壁面を加熱しながら、さらにポンプ１９をも稼働させて、ウォータジャケット１８において排気ポート１６側から吸気ポート１５側に向けて冷却水を流通させる。これにより、排気ポート１６側で排気から受熱して昇温した冷却水を吸気ポート１５側へと導き、吸気ポート１５の昇温を促進しながら排気ポート１６の過熱を抑制することができる。このとき、内燃機関の冷却水温の現在値に応じて、ヒータ１７の稼働率（ヒータ１７に与える電力またはヒータ１７に印加する電流若しくは電圧の、定格値または最大値に対する比率）及びポンプ１９の稼働率（ポンプ１９を駆動する電動機に与える電力または電動機に印加する電流若しくは電圧の、定格値または最大値に対する比率。あるいは、ポンプ１９の吐出流量の定格値または最大値に対する比率）を増減調整することが好ましい。具体的には、図４に示すように、冷却水温が高まるほど、実線で表している通りヒータ１７の稼働率を低減し、かつ破線で表している通りポンプ１９の稼働率を増大させて、電力消費を抑制しつつ効率的に吸気ポート１５を昇温させる。

しかして、ＥＣＵ０は、内燃機関の冷却水温が第二温度Ｔ２以上の高温となったときに、ヒータ１７の稼働を停止する。その一方で、ポンプ１９の稼働は継続する。第二温度Ｔ２は、比較的高い温度、例えば約７０℃ないし約８０℃の間の値に設定する。

さらに、ＥＣＵ０は、内燃機関の冷却水温が十分に高い第三温度Ｔ３以上となったときに、ヒータ１７及びポンプ１９の双方の稼働を停止する。第三温度Ｔ３は、内燃機関の暖機が完了した状況下での冷却水の温度、例えば約８０℃ないし約９０℃の間の値に設定する。

なお、内燃機関の冷却水温の現在値が上記の第三温度Ｔ３未満であるとしても、何れかの気筒１においてノッキング等の異常燃焼が発生したことを検知した場合には、その異常燃焼が沈静化するまでの間、ヒータ１７及びポンプ１９の双方の稼働を停止する。これは、吸気ポート１５を通じて気筒１に吸入される吸気の温度を抑制して異常燃焼の続発を防止する必要があることによる。

本実施形態では、インジェクタ１１から気筒１の吸気ポート１５に向けて燃料を噴射するポート噴射式の内燃機関にあって、シリンダヘッドにおける吸気ポート１５の周辺に、ヒータ１７と、排気ポート１６の周辺を通過した後の冷却水が供給されるウォータジャケット１８とを設け、冷却水温が第一温度Ｔ１未満の低温であるとき、前記ヒータ１７を稼働させるとともに、前記ウォータジャケット１８を流通する冷却水を吸引して吐出するポンプ１９の稼働を停止し、冷却水温が前記第一温度Ｔ１以上であるが当該第一温度Ｔ１よりも高い第二温度Ｔ２未満であるとき、前記ヒータ１７及び前記ポンプ１９をともに稼働させ、冷却水温が前記第二温度Ｔ２以上の高温であるとき、前記ヒータ１７の稼働を停止するとともに、前記ポンプ１９を稼働させる内燃機関を構成した。

本実施形態によれば、インジェクタ１１から噴射する燃料が液状となって吸気通路３ないし吸気ポート１５の内壁面に付着する量を減らし、その気化を促進することができる。とりわけ、内燃機関の温度が低い状況下において、大きな液相燃料の液滴が気筒１の燃焼室内に侵入することが抑止される。従って、気化せず液相のまま溜まった燃料が燃焼室内でプール燃焼することが防止され、ＰＭの生成量を削減できる。加えて、燃焼室内で局所的に空燃比がリッチ化することも避けられる。その帰結として、ＰＭやＨＣ、ＣＯ等の有害物質の排出量を低減でき、エミッションの良化が達成される。ＰＭの生成を効果的に抑制できることから、内燃機関の排気通路４にＰＭ捕集用のフィルタ等を装着する必要がなく、ハードウェアの肥大化やコストの高騰を招来しない。フィルタを装着することに伴う背圧の増大、及びこれに起因する内燃機関の性能の低下も避けられる。

しかも、燃料の気化の促進により燃焼効率が向上し、内燃機関の燃費性能の良化を見込める。

また、内燃機関の冷却水温の現在値に応じて、ヒータ１７とウォータジャケット１８とを使い分けるようにしており、省電力でありながら効果的に吸気ポート１５の壁面の温度を上昇させることが可能となっている。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態では、図２に示しているように、ヒータ１７をウォータジャケット１８の外に配置しているが、ヒータ１７を冷却水が流通するウォータジャケット１８内に収めてもよい。

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。

０…制御装置（ＥＣＵ）
１…気筒
１５…吸気ポート
１６…排気ポート
１７…ヒータ
１８…ウォータジャケット
１９…ポンプ
Ｔ１…第一温度
Ｔ２…第二温度

Claims

インジェクタから気筒の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であって、
シリンダヘッドにおける吸気ポートの周辺に、ヒータと、排気ポートの周辺を通過した後の冷却水が供給されるウォータジャケットとを設けており、
冷却水温が第一温度未満の低温であるとき、前記ヒータを稼働させるとともに、前記ウォータジャケットを流通する冷却水を吸引して吐出するポンプの稼働を停止し、
冷却水温が前記第一温度以上であるが当該第一温度よりも高い第二温度未満であるとき、前記ヒータ及び前記ポンプをともに稼働させ、
冷却水温が前記第二温度以上の高温であるとき、前記ヒータの稼働を停止するとともに、前記ポンプを稼働させる内燃機関。