JP2022003250A

JP2022003250A - 内燃機関の吸気装置

Info

Publication number: JP2022003250A
Application number: JP2020108184A
Authority: JP
Inventors: 雄貴鈴木; Yuki Suzuki; 富久土屋; Tomihisa Tsuchiya
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-06-23
Filing date: 2020-06-23
Publication date: 2022-01-11

Abstract

【課題】複数の気筒への水の分配を改善することが可能な内燃機関の吸気装置を提供することを課題とする。【解決手段】第１吸気通路、前記第１吸気通路より下流側に位置し、前記第１吸気通路に接続されたサージタンク、および前記サージタンクより下流側に位置し、前記サージタンクに接続され、内燃機関の各気筒に対応して配列された複数の第２吸気通路を有する吸気通路と、前記第１吸気通路に設けられ、前記第１吸気通路内に水を噴射する第１噴射弁と、前記配列された複数の第２吸気通路のうち外側のものに比べて内側のものの近くに位置し、前記内側の第２吸気通路に向けて水を噴射する第２噴射弁と、前記吸気通路内における空気の流速、および前記吸気通路内における水滴の大きさに基づき、前記第１噴射弁からの水の噴射量および前記第２噴射弁からの水の噴射量を制御する制御部と、を具備する内燃機関の吸気装置。【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の吸気装置に関する。

内燃機関の吸気通路に水を噴射し、水の気化熱により吸気を冷却する技術がある（特許文献１など）。温度を低下させることで、ノッキングの抑制などが可能である。

特開２０１９−１５７７５１号公報

吸気通路は内燃機関の複数の気筒に対応して複数の通路に分岐する。複数の気筒に水を分配することが難しく、水噴射の効果が十分に得られない恐れがある。そこで複数の気筒への水の分配を改善することが可能な内燃機関の吸気装置を提供することを目的とする。

上記目的は、第１吸気通路、前記第１吸気通路より下流側に位置し、前記第１吸気通路に接続されたサージタンク、および前記サージタンクより下流側に位置し、前記サージタンクに接続され、内燃機関の各気筒に対応して配列された複数の第２吸気通路を有する吸気通路と、前記第１吸気通路に設けられ、前記第１吸気通路内に水を噴射する第１噴射弁と、前記配列された複数の第２吸気通路のうち外側のものに比べて内側のものの近くに位置し、前記内側の第２吸気通路に向けて水を噴射する第２噴射弁と、前記吸気通路内における空気の流速、および前記吸気通路内における水滴の大きさに基づき、前記第１噴射弁からの水の噴射量および前記第２噴射弁からの水の噴射量を制御する制御部と、を具備する内燃機関の吸気装置によって達成できる。

複数の気筒への水の分配を改善することが可能な内燃機関の吸気装置を提供できる。

図１（ａ）は第１実施形態に係る吸気装置を例示する模式図である。図１（ｂ）は吸気装置を例示する正面図である。図２は流速および水滴径と水の分配との関係を示す図である。図３はＥＣＵが実行する処理を例示するフローチャートである。図４は第２実施形態に係る吸気装置を例示する模式図である。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して本実施形態の吸気装置について説明する。図１（ａ）は第１実施形態に係る吸気装置１００を例示する模式図である。吸気装置１００は、吸気通路１１、水噴射弁３０および３２、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備え、内燃機関１０に吸気を供給する。内燃機関１０は例えば四気筒エンジンであり、気筒＃１〜＃４を有する。気筒＃１〜＃４はこの順に横一列に並ぶ。気筒＃１〜＃４のそれぞれには点火プラグ１３が設けられている。

吸気通路１１は、吸気通路１２（第１通路）、サージタンク１４、吸気通路１６、１８、２０および２２（以上、第２通路）を有する。吸気通路１２はサージタンク１４より上流側に位置し、サージタンク１４に接続される。４つの吸気通路１６、１８、２０および２２はサージタンク１４より下流側に位置し、これらの一端はサージタンク１４に接続される。吸気通路１６の他端は内燃機関１０の気筒＃１に接続される。吸気通路１８の他端は内燃機関１０の気筒＃２に接続される。吸気通路２０の他端は内燃機関１０の気筒＃３に接続される。吸気通路２２の他端は内燃機関１０の気筒＃４に接続される。吸気通路１２、１６、１８、２０および２２は、例えば互いに平行である。

図１（ｂ）は吸気装置１００を例示する正面図である。図１（ａ）および図１（ｂ）に示す内壁１１ａは、サージタンク１４および吸気通路１６の内壁であり、気筒＃１に接続される。内壁１１ｂは、サージタンク１４および吸気通路２２の内壁であり、気筒＃４に接続される。

空気は、吸気通路１２に吸引され、吸気通路１２およびサージタンク１４を流れ、吸気通路１６、１８、２０および２２に分配され、内燃機関１０の気筒＃１〜＃４に導入される。各気筒の燃焼室において、空気は燃料と混合気を形成する。点火プラグ１３が点火することで、混合気が燃焼される。

内燃機関１０は例えば直噴およびポート噴射の両方を行うエンジンであり、不図示の燃料噴射弁は吸気ポートおよび気筒に設けられている。したがって後述の水噴射弁を吸気ポートに設けることは困難であり、より上流側に設ける。

図１（ａ）に示すように、吸気通路１２には、上流側から順にエアフローメータ３４、および水噴射弁３０（第１水噴射弁）が設けられている。サージタンク１４のうち吸気通路１８と吸気通路２０との間の位置に水噴射弁３２（第２水噴射弁）が設けられている。サージタンク１４には温度センサ３６および圧力センサ３８が設けられている。

エアフローメータ３４は吸気通路１２内の空気の流量を検出する。温度センサ３６は例えばサージタンク１４内の温度を検出する。圧力センサ３８は例えばサージタンク１４内の圧力を検出する。クランク角センサ４０は内燃機関１０のクランクシャフトの回転角および回転数を検出する。アクセル開度センサ４２は不図示のアクセルペダルの操作量（アクセル開度）を検出する。水圧センサ４４は水の圧力を検出する。水温センサ４６は水の温度を検出する。水は不図示のタンクに貯留されており、水圧センサ４４および水温センサ４６は例えば当該タンクなどに設けられる。

水噴射弁３０および３２にはタンクから水が供給される。水噴射弁３０は吸気通路１２内に水を噴射し、水噴射弁３２は吸気通路１８および２０に向けて水を噴射する。水噴射弁から噴射された水が気化する際、気化熱が吸気の熱を奪う。気筒に導入される吸気の温度が低下することで、ノッキングの抑制などが可能である。

ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）およびＲＯＭ（Read Only Memory）などの記憶装置を備え、ＲＯＭや記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより各種制御を行う。

ＥＣＵ５０は、エアフローメータ３４から空気の流量を取得し、温度センサ３６から温度を取得し、圧力センサ３８から圧力を取得する。ＥＣＵ５０は、クランク角センサ４０から内燃機関１０の回転角および回転数を取得し、アクセル開度センサ４２からアクセル開度を取得する。ＥＣＵ５０は、水圧センサ４４から水圧を取得し、水温センサ４６から水温を取得する。

ＥＣＵ５０は、例えば内燃機関１０の回転数およびアクセル開度に基づいて内燃機関１０の負荷を推定する。ＥＣＵ５０は、例えば空気の流量、内燃機関１０の回転数および負荷に基づいて、吸気通路１１内の空気の流速を取得する。ＥＣＵ５０は点火プラグ１３による点火時期を制御する。ＥＣＵ５０は、例えば点火時期を最適化することで内燃機関１０の効率を高めることができ、点火時期を遅角させることでノッキングを抑制することができる。

ＥＣＵ５０は、水噴射弁３０および３２からの水の噴射時期および水の噴射量を制御する制御部として機能する。例えば点火時期が所定の時期より進角側にある場合などに、ＥＣＵ５０は水噴射トリガをオンにし、水噴射弁３０および３２から水を噴射する。

ＥＣＵ５０は、例えば以下のように水噴射弁３０および３２から噴射される水滴の蒸発速度および水滴の大きさ（水滴径）を計算する。ＥＣＵ５０は、数１を用いて雰囲気中の水蒸気濃度Ｃを計算する。数１中のＣｓは雰囲気中の飽和濃度であり、ｖｇは空気の流速である。

ＥＣＵ５０は、数２を用いて係数βを計算する。Ｃは数１から得られる雰囲気中の水蒸気濃度である。Ｄは雰囲気中の水蒸気の拡散係数であり、Ｍは水の分子量であり、ρは水の密度である。

ＥＣＵ５０は、数３を用いて蒸発速度Ｗを計算する。βは数２から得られる係数であり、Ｖは水滴の体積であり、Ｎは体積Ｖと水滴径とに関わる係数である。蒸発速度Ｗが大きいほど、後述の水の気筒への分配は改善する。

水噴射弁３０および３２から噴射された水が気化する際の気化熱によって、空気の温度が低下する。空気の温度が低下することで、ノッキングの抑制などが可能である。内燃機関１０のような多気筒エンジンにおいては、すべての気筒に水を分配することが重要である。

図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、４つの気筒＃１〜＃４のうち気筒＃１および＃４は外側に位置し、気筒＃２および＃３は内側に位置する。外側の気筒＃１および＃４に流れ込む空気の流速と、内側の気筒＃２および＃３に流れ込む空気の流速との間に差が生じる。図１（ｂ）に矢印Ａ１で示すように、気筒＃１に導入される空気は、サージタンク１４および吸気通路１６の内壁１１ａに沿って流れる。気筒＃４に導入される空気は内壁１１ｂに沿って流れる。このため気筒＃１および＃４に導入される空気の大部分は大きな流速を有する。一方、矢印Ａ２で示すように気筒＃２および＃３に導入される空気のうち一部は壁面に沿って流れるが、別の一部は壁面に沿って流れにくい。このため気筒＃２および＃３に導入される空気のうち流速の大きな部分の割合は、気筒＃１および＃４に導入される空気に比べて低い。

図２は流速および水滴径と水の分配との関係を示す図である。横軸は空気の流速を示し、縦軸は水滴径を示す。実線Ｌ１〜Ｌ３は４つの気筒への水の分配を表す。水の分配とは、外側の気筒＃１および＃４への水の供給量と、内側の気筒＃２および＃３への供給量との差である。

図２に示すように、複数の気筒への水の分配は、吸気通路１１内における空気の流速および水滴の径に依存する。流速が大きいほど水の分配は悪化し、流速が小さいほど水の分配は改善する。水滴径が大きいほど水の分配は悪化し、水滴径が小さいほど水の分配は改善する。例えば実線Ｌ１では、外側の気筒＃１および＃４への水の供給量が、内側の気筒＃２および＃３への供給量に対して１０％多い。実線Ｌ２では、外側の気筒＃１および＃４への水の供給量が、内側の気筒＃２および＃３への供給量に対して２０％多い。実線Ｌ３では、外側の気筒＃１および＃４への水の供給量が、内側の気筒＃２および＃３への供給量に対して３０％多い。

気筒ごとの水の供給量に差が生じることで、外側の気筒＃１および＃４と、内側の気筒＃２および＃３とでは、温度の低下量および筒内圧にも差が生じる。このためノッキング抑制など水噴射の効果が十分に得られない恐れがある。また、水量の少ない内側の気筒のノッキング抑制のために点火時期の遅角量を大きくすると、内燃機関１０の効率が低下してしまう。

本実施形態では、内側の気筒＃２および＃３に向けて水を噴射する水噴射弁３２を設け、かつ水噴射弁３０および３２からの水の噴射量を調整する。複数の気筒に対して均等に水を分配する。

図３はＥＣＵ５０が実行する処理を例示するフローチャートである。ＥＣＵ５０は水噴射トリガをオンにする（ステップＳ１０）。ＥＣＵ５０は、例えば内燃機関１０の回転数および負荷、エアフローメータ３４が検出する空気の量などに基づき、空気の流速を取得する（ステップＳ１２）。

ＥＣＵ５０は、上記の数１〜数３を用いて水滴の蒸発速度Ｗを計算し、蒸発速度Ｗなどに基づいて水滴径を算出する（ステップＳ１４）。ＥＣＵ５０は、流速および水滴径に基づき、水噴射弁３０および３２からの水の噴射量を決定する（ステップＳ１６）。ＥＣＵ５０は水噴射弁３０および３２から、ステップＳ１６で定められた量の水を噴射させる（ステップＳ１８）。ＥＣＵ５０は水噴射トリガがオフであるか否か判定する（ステップＳ２０）。否定判定（Ｎｏ）の場合、ＥＣＵ５０は再びステップＳ１２から処理を実行する。肯定判定（Ｙｅｓ）の場合、処理は終了する。

例えば、水噴射弁３０から噴射される水は、気筒＃１および＃４には４０％ずつ分配され、気筒＃２および＃３には１０％ずつ分配されると仮定する。水噴射弁３２から噴射される水は、気筒＃２および＃３に５０％ずつ分配され、気筒＃１および＃４には分配されないと仮定する。１つの気筒当たりの適切な水の供給量をＸとする。ＥＣＵ５０は、水噴射弁３０が噴射する水の量を２．５Ｘと定め、水噴射弁３２が噴射する水の量を１．５Ｘと定める（図３のステップＳ１６）。水噴射弁３０からの水噴射によって、気筒＃１および＃４にはＸの水が供給され、気筒＃２および＃３には０．２５Ｘの水が供給される。水噴射弁３２からの水噴射によって、気筒＃２および＃３に０．７５Ｘの水が供給される。これにより、すべての気筒にＸの水が供給される。

本実施形態によれば、吸気通路１１に２つの水噴射弁３０および３２が設けられている。水噴射弁３０から噴射される水は４つの気筒のうち外側の気筒＃１および＃４に多く導入される。水噴射弁３２は吸気通路１８および２０の間に位置し、４つの吸気通路のうち内側の吸気通路１８および２０に向けて水を噴射する。水噴射弁３２から噴射される水は、吸気通路１８および２０を通じて内側の気筒＃２および＃３に供給される。

ＥＣＵ５０は、空気の流速および水滴径に基づき、水噴射弁３０および３２からの水の噴射量を制御する。これにより、複数の気筒への水の分配を改善することができる。すなわち、各気筒の水の供給量が同程度になり、空気の温度および筒内圧も同程度になる。この結果、水噴射によるノッキングの抑制が可能である。水噴射によってノッキングを抑制できるため、点火時期を最適化することができ、内燃機関１０の効率が高くなる。ＥＣＵ５０は数１〜数３を用いて蒸発速度Ｗを算出し、さらに水滴径を算出するとしたが、他の方法を用いて水滴径を計算してもよい。

各気筒への水の供給量は厳密に同一でもよいし、例えば１０％以内の違いがあってもよい。ＥＣＵ５０は、例えば図２の実線Ｌ１の内側の領域が実現するように水噴射量を制御する。

内燃機関１０の気筒の数は４つとしたが、３つ以上であればよく、４つ以上でもよい。１つの水噴射弁３０のみからの水噴射では、一列に並ぶ３つ以上の気筒のうち、内側の気筒への水の供給量が、両端の気筒に比べて少なくなる恐れがある。水噴射弁３２から内側の気筒に向けて水を噴射することで、均等な水の分配が可能となる。

（第２実施形態）
図４は第２実施形態に係る吸気装置２００を例示する模式図である。水噴射弁３２は吸気通路１２のうちサージタンク１４の直前の位置に設けられている。他の構成は第１実施形態と同じである。水噴射弁３２が吸気通路１６、１８、２０および２２のうち、内側の吸気通路１８および２０に近く、外側の吸気通路１６および２２から遠い。第２実施形態によれば第１実施形態と同様に、水噴射弁３２が内側の吸気通路１８および２０に向けて水を噴射するため、水を複数の気筒に分配することができる。

水噴射弁３２をサージタンク１４から大きく離すと、水が吸気とともに吸気通路１６および２２に多く流れ、吸気通路１８および２０への分配量が減少してしまう。したがって水噴射弁３２は、第１実施形態のようにサージタンク１４内、または第２実施形態のように吸気通路１２のうち水噴射弁３０よりも下流側であってサージタンク１４の直前に設ける。水噴射弁３０および３２は例えば霧状の水を噴射する。水噴射弁３２は例えば水噴射弁３２の前方の全体に水を噴射してもよいし、吸気通路１８および２０への指向性を持って水を噴射してもよい。水噴射弁３２から噴射される水のすべてが吸気通路１８および２０に流入してもよいし、水の大部分が吸気通路１８および２０に流入し、水のごく一部は吸気通路１６および２２に流入してもよい。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０内燃機関
１１、１２、１６、１８、２０、２２吸気通路
１３点火プラグ
１４サージタンク
３０、３２水噴射弁
３４エアフローメータ
３６温度センサ
３８圧力センサ
４０クランク角センサ
４２アクセル開度センサ
４４水圧センサ
４６水温センサ
１００、２００吸気装置

Claims

第１吸気通路、前記第１吸気通路より下流側に位置し、前記第１吸気通路に接続されたサージタンク、および前記サージタンクより下流側に位置し、前記サージタンクに接続され、内燃機関の各気筒に対応して配列された複数の第２吸気通路を有する吸気通路と、
前記第１吸気通路に設けられ、前記第１吸気通路内に水を噴射する第１噴射弁と、
前記配列された複数の第２吸気通路のうち外側のものに比べて内側のものの近くに位置し、前記内側の第２吸気通路に向けて水を噴射する第２噴射弁と、
前記吸気通路内における空気の流速、および前記吸気通路内における水滴の大きさに基づき、前記第１噴射弁からの水の噴射量および前記第２噴射弁からの水の噴射量を制御する制御部と、を具備する内燃機関の吸気装置。