WO2011099127A1

WO2011099127A1 - 内燃機関

Info

Publication number: WO2011099127A1
Application number: PCT/JP2010/051977
Authority: WO
Inventors: 岡田　吉弘
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2010-02-10
Publication date: 2011-08-18
Also published as: EP2535551A4; EP2535551A1; JP5299526B2; CN102741538A; US20120279481A1; JPWO2011099127A1

Abstract

　本発明は、オイルの流入に伴う異常燃焼が発生し難い内燃機関を提供することを目的とする。このため、本発明の１つの態様では、内燃機関は冷却水の流れに沿って配置された複数の気筒と、各気筒につながる複数の空気出口を有するサージタンクとを備え、サージタンクは、冷却水の流れの上流側に位置する気筒につながる空気出口の近傍には相対的に多くのオイルが溜まり、冷却水の流れの下流側に位置する気筒につながる空気出口の近傍は相対的にオイルの溜まりが少なくなるように形成されている。

Description

内燃機関

　本発明は、内燃機関に関し、詳しくは、サージタンクを有する内燃機関に関する。

　自動車用の内燃機関では、そのサージタンク内にオイルが溜まることが知られている。このオイルはブローバイガスに含まれていたオイルミストがサージタンクの壁面に付着したものである。サージタンク内に溜まったオイルが一度に多量に筒内に流入した場合、その気筒では異常燃焼が起こってしまう。特に、低回転高負荷域においては、筒内に流入したオイルが圧縮行程中或いは点火後に火炎伝播が到達する以前に自着火することで、プレイグやヘビーノックといった深刻な症状が発生してしまう。

　このような問題に関し、特開平９－２３６０５４号公報に開示された先行技術では、サージタンクにオイルが溜まる凹部が設けられ、この凹部にオイル排出ホースが接続されている。オイル排出ホースには開閉バルブが設けられている。開閉バルブはインテークマニホールドにダイヤフラムを介して接続され、内燃機関の運転時には吸気負圧によるダイヤフラムの作動によって閉じられ、内燃機関の停止時には開かれるようになっている。つまり、この先行技術は、サージタンク内に溜まったオイルを外部に排出することによって、オイルの筒内への流入の防止を図っている。

　しかし、上記先行技術においてオイルを外部に排出することができるのは内燃機関の停止時に限られる。このため、内燃機関の運転が長時間続くような場合には、サージタンク内のオイルの量が増え、やがて筒内にオイル流入してしまうおそれがある。オイルの流入を完全に防止することは、費用対効果を勘案すると現実的には簡単ではない。

　異常燃焼の発生を抑えるという課題に鑑みた場合、オイルの筒内への流入を防止することは必ずしも必要ではない。サージタンクから筒内にオイルが流入したとしても、筒内の条件が異常燃焼の発生条件を満たしていなければ、異常燃焼の発生を免れることができる。ここでいう筒内条件とは例えば壁面温度や残留ガスの組成等であるが、それらには気筒間でばらつきがある。このため、オイルの流入による異常燃焼の発生し易さという点において必ずしも全ての気筒は同一ではなく、異常燃焼が比較的発生し難い気筒と、異常燃焼が比較的発生し易い気筒とが存在することになる。

　サージタンクから筒内へのオイルの流入は避けられないという前提に立つならば、異常燃焼が発生しにくい気筒にはある程度のオイルの流入を許容する一方、異常燃焼が発生しやすい気筒にはオイルの流入が少なくなるようにすれば、特定気筒に異常燃焼の発生が偏ることを防ぎ、内燃機関全体として異常燃焼を発生し難くすることができるものと考えられる。本発明は、このような思想に基づきなされた発明であり、オイルの流入に伴う異常燃焼が発生し難い内燃機関を提供することを目的とする。

　本発明の第１の態様によれば、この内燃機関は、気筒間で筒内壁面温度に差がある複数の気筒と、各気筒につながる複数の空気出口を有するサージタンクとを備えている。そして、前記サージタンクは、筒内壁面温度が相対的に低い気筒につながる空気出口の近傍には相対的に多くのオイルが溜まり、筒内壁面温度が相対的に高い気筒につながる空気出口の近傍は相対的にオイルの溜まりが少なくなるように形成されている。

　本発明の第２の態様によれば、この内燃機関は、冷却水の流れに沿って配置された複数の気筒と、各気筒につながる複数の空気出口を有するサージタンクとを備えている。そして、前記サージタンクは、冷却水の流れの上流側に位置する気筒につながる空気出口の近傍には相対的に多くのオイルが溜まり、冷却水の流れの下流側に位置する気筒につながる空気出口の近傍は相対的にオイルの溜まりが少なくなるように形成されている。

　本発明の第３の態様によれば、この内燃機関は、気筒間で残留ガス量に差が生じる複数の気筒と、各気筒につながる複数の空気出口を有するサージタンクとを備えている。そして、前記サージタンクは、残留ガス量が相対的に少ない気筒につながる空気出口の近傍には相対的に多くのオイルが溜まり、残留ガス量が相対的に多い気筒につながる空気出口の近傍は相対的にオイルの溜まりが少なくなるように形成されている。

　本発明の第４の態様によれば、この内燃機関は、気筒間で背圧に差がある複数の気筒と、各気筒につながる複数の空気出口を有するサージタンクとを備えている。そして、前記サージタンクは、背圧が相対的に低い気筒につながる空気出口の近傍には相対的に多くのオイルが溜まり、背圧が相対的に高い気筒につながる空気出口の近傍は相対的にオイルの溜まりが少なくなるように形成されている。

　筒内壁面温度が相対的に高い気筒、冷却水の流れの下流側に位置する気筒、残留ガス量が相対的に多い気筒、或いは、背圧が相対的に高い気筒は、オイルの流入に伴って異常燃焼が発生し易い気筒である。サージタンクから筒内へのオイルの流入のし易さは、空気出口の近傍に溜まっているオイル量に依存する。溜まっているオイル量が多いほど筒内にオイルが流入し易くなり、溜まっているオイル量が少ないほど筒内にオイルが流入し難くなる。本発明の各態様によれば、異常燃焼が相対的に発生し易い気筒につながる空気出口の近傍は相対的にオイルが溜まり難くされているので、特定気筒に異常燃焼の発生が偏ることを防ぐことができ、また、内燃機関全体としての異常燃焼の発生確率を低く抑えることができる。

本発明の実施の形態１の内燃機関の特徴部分の構成を示す図である。図１のＡ－Ａ断面を示す図である。本発明の実施の形態２の内燃機関の全体を示す概略図である。本発明の実施の形態２の内燃機関の特徴部分の構成を示す図である。

実施の形態１．
　以下、本発明の実施の形態１について図１及び図２を参照して説明する。

　図１は本実施の形態の内燃機関の特徴部分の構成を示す図、図２は図１のＡ－Ａ断面を示す図である。本実施の形態にかかる内燃機関は、火花点火式の４ストロークレシプロエンジンである。また、４つの気筒を直列に備える直列４気筒エンジンでもある。このため、シリンダヘッド２とサージタンク４とは４本の吸気枝管６によって接続されている。

　サージタンク４の各吸気枝管６との接続部には空気出口８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄが形成されている。空気出口８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄはサージタンク４の上半分の側に形成されている。サージタンク４の底部１０にはオイルが溜まるため、そのオイルが空気出口８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄから流れ出さないようにするためである。サージタンク４の底部１０には傾斜がつけられている。より正確には、サージタンク４は、内燃機関の車両への搭載時に、その底部１０が傾斜するような形状に形成されている。

　サージタンク４の底部１０の形状は、シリンダヘッド２内の冷却水の流れ方向と関係がある。シリンダヘッド２の内部には図示しない冷却水路が形成されていて、４つの気筒は冷却水の流れに沿うように配置されている。図１では、空気出口８Ａにつながる気筒が冷却水の流れの最上流に位置し、以下、空気出口８Ｂにつながる気筒、空気出口８Ｃにつながる気筒、空気出口８Ｄにつながる気筒の順に冷却水の流れに沿って並んでいる。サージタンク４の底部１０は、冷却水の流れの最下流に対応する空気出口８Ｄの側から、冷却水の流れの最上流に対応する空気出口８Ａの側に向かって次第に深くなるように形成されている。このような形状により、サージタンク４内に流入したオイルは空気出口８Ａの近傍に最も多く溜まり、以下、空気出口８Ｂの近傍、空気出口８Ｃの近傍、空気出口８Ｄの近傍の順に溜まるオイルの量は少なくなる。

　サージタンク４の底部１０に溜まったオイルは、図２に示すように、サージタンク４から筒内に向かう気流とともに空気出口８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄから流出する。このオイルが筒内に流入することによって、プレイグやヘビーノックといった症状を伴う異常燃焼が発生する場合がある。しかし、本実施の形態の内燃機関が採用するサージタンク４の底部１０の形状によれば、次のような理由により異常燃焼の発生確率は低く抑えられる。

　オイルの流入による異常燃焼の発生確率は、筒内へのオイルの流入量及び筒内の壁面温度と強い相関を持つ。筒内壁面温度で同じであればオイルの流入量が多いほど異常燃焼の発生確率は高くなり、オイルの流入量が同じであれば筒内壁面温度が高いほど異常燃焼の発生確率は高くなる。ここで、筒内壁面温度に大きく影響するのが冷却水の温度である。冷却水の温度が相対的に低ければ筒内壁面温度は相対的に低くなり、冷却水の温度が相対的に高くなると筒内壁面温度も相対的に高くなる。したがって、図１において、冷却水の流れの上流側に位置する気筒の筒内壁面温度は相対的に低く、冷却水の流れの下流側に位置する気筒の筒内壁面温度は相対的に高いということになる。

　一方、筒内へのオイルの流入量はサージタンク４内の空気出口８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄの近傍に溜まっているオイルの量によって決まる。溜まっているオイルが多いほど、サージタンク４から筒内にオイルが流入し易くなる。したがって、図１に示すオイルの溜まり具合によれば、空気出口８Ａにつながる気筒へのオイルの流入量は最も多くなり、以下、空気出口８Ｂにつながる気筒、空気出口８Ｃにつながる気筒、空気出口８Ｄにつながる気筒の順にオイルの流入量は少なく抑えられる。つまり、筒内壁面温度が高い気筒ほどオイルの流入量は少なく抑えられる。

　以上説明したように、本実施の形態のサージタンク４の底部１０の形状によれば、筒内壁面温度が相対的に低い気筒につながる空気出口の近傍には相対的に多くのオイルを溜めて、筒内壁面温度が相対的に高い気筒につながる空気出口の近傍は相対的にオイルの溜まりを少なくすることができる。これにより、筒内壁面温度が相対的に低い気筒にはオイルの流入を許容する一方、筒内壁面温度が相対的に高い気筒へのオイルの流入は抑制することができるので、特定気筒に異常燃焼の発生が偏ることを防ぐことができ、また、内燃機関全体としての異常燃焼の発生確率を低く抑えることができる。

実施の形態２．
　以下、本発明の実施の形態２について図３及び図４を参照して説明する。

　図３は本実施の形態の内燃機関の全体を示す概略図である。本実施の形態にかかる内燃機関は、火花点火式の４ストロークレシプロエンジンであり、また、４つの気筒を直列に備える直列４気筒エンジンでもある。さらに、本実施の形態にかかる内燃機関は、ターボ過給機２０を備えるターボエンジンでもある。ターボ過給機２０はいわゆるツインスクロールターボであり、そのタービン部に接続される排気系は２系統に分けられている。すなわち、第１気筒（＃１）の排気ガスと第４気筒（＃４）の排気ガスを集合させる排気系２２と、第２気筒（＃２）の排気ガスと第３気筒（＃３）の排気ガスを集合させる排気系２４とが独立に設けられている。２つの排気系２２，２４の間には圧力差があり、結果、気筒間にも背圧の差が生じる。ここでは、排気系２２に接続される第１及び第４気筒を低背圧気筒、排気系２４に接続される第２及び第３気筒を高背圧気筒とする。

　シリンダヘッド３２には、気筒毎に設けられた４本の吸気枝管３６によってサージタンク３４が接続されている。本実施の形態の内燃機関の特徴はこのサージタンク３４の形状にあり、その詳細は図４に示す通りである。

　サージタンク３４の各吸気枝管３６との接続部には空気出口３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃ，３８Ｄが形成されている。空気出口３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃ，３８Ｄはサージタンク３４の上半分の側に形成されている。サージタンク３４の底部４０にはオイルが溜まるため、そのオイルが空気出口３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃ，３８Ｄから流れ出さないようにするためである。

　サージタンク３４の底部４０の形状は、各空気出口３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃ，３８Ｄがつながる気筒の背圧と関係がある。高背圧気筒（＃２，＃３）につながる空気出口８Ｂ，８Ｃの近傍は比較的浅くされ、低背圧気筒（＃１，＃４）につながる空気出口８Ａ，８Ｄの近傍は比較的深くされている。このような形状により、サージタンク３４内に流入したオイルは空気出口８Ａ，８Ｄの近傍に多く溜まり、空気出口８Ａ，８Ｄの近傍にはあまり溜まらなくなる。

　サージタンク３４の底部４０に溜まったオイルは、サージタンク３４から筒内に向かう気流とともに空気出口３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃ，３８Ｄから流出する。このオイルが筒内に流入することによって、プレイグやヘビーノックといった症状を伴う異常燃焼が発生する場合がある。しかし、本実施の形態の内燃機関が採用するサージタンク３４の底部４０の形状によれば、次のような理由により異常燃焼の発生確率は低く抑えられる。

　オイルの流入による異常燃焼の発生確率は、筒内へのオイルの流入量及び筒内の残留ガス量と強い相関を持つ。残留ガス量で同じであればオイルの流入量が多いほど異常燃焼の発生確率は高くなり、オイルの流入量が同じであれば残留ガス量が多いほど異常燃焼の発生確率は高くなる。ここで、残留ガス量に大きく影響するのが背圧である。背圧が相対的に低ければ残留ガス量は相対的に少なくなり、背圧が相対的に高くなると残留ガス量も相対的に多くなる。したがって、図４において、第１及び第４気筒の残留ガス量は相対的に少なく、第２及び第３気筒の残留ガス量は相対的に多いということになる。

　一方、筒内へのオイルの流入量はサージタンク３４内の空気出口３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃ，３８Ｄの近傍に溜まっているオイルの量によって決まる。溜まっているオイルが多いほど、サージタンク３４から筒内にオイルが流入し易くなる。したがって、図１に示すオイルの溜まり具合によれば、空気出口３８Ａ，３８Ｄにつながる各気筒へのオイルの流入量は多いが、空気出口３８Ｂ，３８Ｃにつながる各気筒へのオイルの流入量は少なく抑えられる。

　以上説明したように、本実施の形態のサージタンク３４の底部４０の形状によれば、残留ガス量が相対的に少ない気筒につながる空気出口の近傍には相対的に多くのオイルを溜めて、残留ガス量が相対的に多い気筒につながる空気出口の近傍は相対的にオイルの溜まりを少なくすることができる。これにより、残留ガス量が相対的に少ない気筒にはオイルの流入を許容する一方、残留ガス量が相対的に多い気筒へのオイルの流入は抑制することができるので、特定気筒に異常燃焼の発生が偏ることを防ぐことができ、また、内燃機関全体としての異常燃焼の発生確率を低く抑えることができる。

その他．
　以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、各実施の形態の内燃機関は直列エンジンであるが、本発明はＶ型エンジンにも適用可能である。また、左右のバンクのそれぞれにサージタンクを備えるタイプのＶ型エンジン、左右のバンクで１つのサージタンクを共用するタイプのＶ型エンジンの何れにも適用可能である。

　また、各実施の形態ではサージタンクの底部の深さによって空気出口の近傍に溜まるオイルの量を調整しているが、サージタンクの底部の広さによってオイルが溜まる量を調整してもよい。

　また、実施の形態１では、筒内壁面温度に大きく影響するものとして冷却水の流れ方向を挙げているが、冷却水の流れ方向以外の要素が筒内壁面温度の気筒間差においてより支配的であるならば、その要素を考慮してサージタンクの形状を決定してもよい。実施の形態２では、残留ガス量に大きく影響するものとして背圧を挙げているが、背圧以外の要素が残留ガス量の気筒間差においてより支配的であるならば、その要素を考慮してサージタンクの形状を決定してもよい。

２，３２　シリンダヘッド
４，３４　サージタンク
６，３６　吸気枝管
８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄ，３８Ａ，３８Ｂ，３８Ｃ，３８Ｄ　空気出口
１０，４０　サージタンク底部
２０　ターボ過給機
２２，２４　排気系

Claims

　気筒間で筒内壁面温度に差がある複数の気筒と、
　各気筒につながる複数の空気出口を有するサージタンクと、
を備え、
　前記サージタンクは、筒内壁面温度が相対的に低い気筒につながる空気出口の近傍には相対的に多くのオイルが溜まり、筒内壁面温度が相対的に高い気筒につながる空気出口の近傍は相対的にオイルの溜まりが少なくなるように形成されていることを特徴とする内燃機関。
　冷却水の流れに沿って配置された複数の気筒と、
　各気筒につながる複数の空気出口を有するサージタンクと、
を備え、
　前記サージタンクは、冷却水の流れの上流側に位置する気筒につながる空気出口の近傍には相対的に多くのオイルが溜まり、冷却水の流れの下流側に位置する気筒につながる空気出口の近傍は相対的にオイルの溜まりが少なくなるように形成されていることを特徴とする内燃機関。
　気筒間で残留ガス量に差が生じる複数の気筒と、
　各気筒につながる複数の空気出口を有するサージタンクと、
を備え、
　前記サージタンクは、残留ガス量が相対的に少ない気筒につながる空気出口の近傍には相対的に多くのオイルが溜まり、残留ガス量が相対的に多い気筒につながる空気出口の近傍は相対的にオイルの溜まりが少なくなるように形成されていることを特徴とする内燃機関。
　気筒間で背圧に差がある複数の気筒と、
　各気筒につながる複数の空気出口を有するサージタンクと、
を備え、
　前記サージタンクは、背圧が相対的に低い気筒につながる空気出口の近傍には相対的に多くのオイルが溜まり、背圧が相対的に高い気筒につながる空気出口の近傍は相対的にオイルの溜まりが少なくなるように形成されていることを特徴とする内燃機関。