JP7385353B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本願発明は、暖機運転時の燃料制御構造に特徴を有する内燃機関に関するものである。

内燃機関において、排気ガスから排出される有害物質としては、ＮＯｘのようなガス成分と、固体としてのＰＭ（粒子状物質）とがある。ＰＭについては、質量規制から個数規制（ＰＮ）に移行しつつある。

機関の種類についてみると、ディーゼル機関では暖機運転後においてもＰＭが排出されるため、ＤＰＦのようなフィルター装置を標準的に装備する必要があるが、ガソリン機関の場合は、暖機運転後において完全燃焼している場合はＰＭの量は少ない。

しかし、ガソリン機関においても、コールドスタート時の暖機運転時のように機関温度が低い状態での運転時には、燃料の気化（微細化）が不十分になることによってＰＭが発生することがある。そこで、ガソリン機関についても、ＰＭ対策としてＧＰＦが開発されているが、より本質的な課題として、ＰＭの発生量抑制する技術が要請される。

そこで検討するに、ガソリン機関においてＰＭが発生する主因は、上記のとおり燃料の気化が十分でない点にあり、従って、機関温度が低い状態でも燃料の気化を促進できると、ＰＭの発生を大幅に低減して、ＧＰＦを使用することなくＰＮをクリアすることが可能になると云える。

このような気化促進の技術として、特許文献１には、エタノールやメタノールのような気化性が悪いアルコール類を燃料にした内燃機関において、吸気通路のうち各気筒に対応した吸気ポートにそれぞれ主インジェクタを設ける一方、吸気ポートよりも上流側の集合部にコールドスタート用インジェクタとヒータとを設けて、始動時にはコールドスタート用インジェクタから燃料を噴射して、これをヒータで加温して気化を促進することが開示されている。

実開昭５８－９２４５４号のマイクロフィルム

さて、燃料をサージタンク等の集合部に噴射した場合、その全量が特定の気筒に至らずに僅かながら吸気通路に残ることが想定される。従って、各気筒での燃焼の安定性・均一性からは、燃料は個々の気筒に向けて噴射するのが好適であり、また、気化（霧化）した燃料が吸気通路の内面に触れて凝縮・液化する現象を防止する点からは、燃料はできるだけ気筒に近い部位から噴射するのが好ましい。

従って、各吸気ポートと集合部とにそれぞれインジェクタを設けている場合、暖機運転時には、機関温度との関係による燃料の気化性の良否を基準として、各吸気ポートへの燃料噴射と集合部への燃料噴射とがバランスするようにきめ細かく制御して、燃料と吸気との混合性向上による気化促進と、各吸気ポートへの直接的な燃料噴射による燃焼安定性との両立を図るのが好適であるといえる。

しかし、特許文献１は、コールドスタート用インジェクタと主インジェクタとは択一的に使用しており、予め設定した基準値度を境にして、コールドスタート用インジェクタによる燃料噴射から主インジェクタによる燃料噴射に切り換えるものであるため、きめ細かい制御は期待できない。

また、集合部にインジェクタを設けた場合、霧化した燃料の一部が、気筒に到達する前に吸気通路の内面に接触する等して凝縮・液化することが想定されるが、特許文献１は、集合部から吸気ポートに至る通路は水平状になっているため、液化した燃料が吸気の流れに乗って気筒に流入することが想定され、このため、ＰＭの抑制効果が低減するおそれもある。

本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。

本願発明は、
「スロットルバルブから各気筒に至る吸気通路が、前記スロットルバルブに連通したサージタンクと、前記サージタンクから分岐して各気筒に向かう枝通路の群とで構成されており、前記各枝通路の箇所にはそれぞれメインインジェクタが配置されて、前記サージタンクには補助インジェクタとＥＧＲガス導入口とが配置されて、前記ＥＧＲガス導入口に、ＥＧＲバルブを備えたＥＧＲガス通路が接続されている」
という基本構成である。

そして、本願発明は、上記基本構成において、
「前記各枝通路に下向きに凹んだ曲がり部が形成されている一方、前記ＥＧＲガス通路に、加熱用バルブを備えた加熱用のバイパス通路が接続されて、前記バイパス通路の一部が前記曲がり部における底部の内部に入り込んでいて、
更に、冷却水温度センサで検知した冷却水温度に基づいて前記補助インジェクタと前記メインインジェクタと前記加熱用バルブと前記ＥＧＲバルブを制御する制御装置を有しており、前記制御装置は、
冷却水温度が予め設定した基準値よりも低い状態では、前記補助インジェクタとメインインジェクタとの両方から燃料を噴射させると共に、前記加熱用バルブを開いて前記曲がり部の加熱を行うことと前記ＥＧＲバルブを開いて前記サージタンクにＥＧＲガスを導入することを行いつつ、冷却水温度が高くなるに従って前記メインインジェクタからの燃料噴射量を増大させて、
冷却水温度が前記基準値に至ると、前記メインインジェクタのみから燃料を噴射させると共に、前記加熱用バルブを閉じて前記曲がり部の加熱を停止させるように設定されている」
という構成になっている。

なお、本願発明では、冷却水温度が基準値に至って補助インジェクタが使用されていない状態でも、ＥＧＲガスがサージタンクに噴出する。すなわち、冷却水温度が基準値に至った後は、補助インジェクタとは関係なく、機関の回転数や負荷に基づいた通常の制御が成される。

本願発明において、枝通路は、吸気マニホールドに形成されている枝管と、シリンダヘッドに形成されている吸気ポートとの両方を含んでいる。一般に、気筒の吸気口は一対あってそれぞれ吸気バルブで開閉されており、吸気ポートは、その全体が一対の吸気口に対応して２つに分離している場合と、入口部は一つで途中から２つに分岐している場合とがあり、インジェクタを１つの入口部に設けているシングルインジェクタタイプと、分岐した２つのポートにそれぞれインジェクタを設けているデュアルインジェクタタイプとがあるが、本願発明はいずれのタイプも含んでいる。

また、機関温度は冷却水温度で代替している。自動車用内燃機関では、冷却水温度センサは標準的に装備されていることが多いため、冷却水温度を機関温度として使用すると、コスト等において有利である。

本願発明では、メインインジェクタは常に作動しているため、各気筒における燃焼の安定性・均一性をできるだけ保持できる一方、暖機運転状態のように機関温度が基準値よりも低い状態では、補助インジェクタからも燃料を噴射することにより、燃料全体として気化を促進できる。

そして、機関温度が上昇すると燃料の気化性も向上するが、本願発明では、機関温度の上昇に応じてメインインジェクタからの噴射量が増大するため、燃料気化の必要性と、各気筒における燃焼の安定性・均等化の必要性とがバランスするように、きめ細かく制御できる。

従って、本願発明では、暖機運転時のように機関の温度が低い状態でも、燃料の気化を促進してＰＭの発生量を抑制しつつ、各気筒での燃焼の安定化・均等化を実現できる。また、低温下でも燃料の気化を促進できるため、完全燃焼化を促進して、ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘも低減できると共に燃費の向上にも貢献できる。

また、本願発明では、仮に、サージタンクに噴射されて気化した燃料が気筒に至る途中で枝通路の内面に触れて凝縮・液化（ミスト化）しても、液化した燃料を曲がり部に溜めておくことができる。従って、液化した燃料が気筒に入り込むことを防止又は抑制して、ＰＭの発生を防止又は大きく抑制できる。

この場合、曲がり部に溜まった燃料は、吸気の流れによって蒸発して気筒に流入するため、特段の問題は生じない。

更に、本願発明を採用すると、液化した燃料が曲がり部に溜まろうとしても加熱手段で蒸発させられるため、燃料の気化を大きく促進してＰＭの発生防止効果を助長できる。また、曲がり部を流れる混合気が加温されるため、燃料の気化・微細化を促進して完全燃焼化を更に助長できる。

本願発明のように補助インジェクタをサージタンクに設けると、サージタンクは容積が大きくて吸気の流れも遅いため、燃料と吸気との混合性を大きく向上できる。まず、この点で燃料の気化を促進できる。また、ＥＧＲガスの熱で燃料が加温されるため、燃料の蒸発性が高まって気化を促進できる。これら２つの作用により、燃料の気化を大きく促進できる。

実施形態に係る内燃機関の模式図である。 図１のII-II 視断面図である。

(1).実施形態の構造
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、自動車用内燃機関に適用している。内燃機関の基本構造は従来と同じであり、複数のシリンダボア２がクランク軸方向に形成されたシリンダブロック１と、シリンダブロック１の上面に固定されたシリンダヘッド３とを備えている。

シリンダヘッド３には、１つのシリンダボア２に対応して一対ずつの吸気口４及び排気口５がそれぞれクランク軸線方向に並んで形成されており、一対の吸気口４には、それぞれ吸気ポート分岐部６が連通している。一対の吸気ポート分岐部６は、シリンダヘッド３の吸気側面に開口した１つの吸気ポート集合部７から分岐しており、各吸気ポート集合部７に、吸気マニホールド８の枝管９が接続されている。

敢えて述べるまでもないが、吸気口４は、吸気弁用カム軸１０で駆動される吸気弁１１によって開閉され、排気口５は、吸気弁用カム軸（図示せず）で駆動される排気弁１２によって開閉される。排気口５には排気ポート５ａが連通している。

シリンダヘッド３には、各吸気ポート分岐部６に燃料を噴射するメインインジェクタ１３が取付けられている。メインインジェクタ１３は、シリンダヘッド３に形成した取付け穴１４にＯリングを介して挿入しており、燃料が吸気口４に向けて噴射するように、シリンダボア軸線に対して傾斜姿勢に配置されている。

内燃機関は図示しないエアクリーナを備えており、エアクリーナを始端とする吸気通路は、吸気量を制御するスロットルバルブ１５と、スロットルバルブ１５が固定されたサージタンク１６と、サージタンク１６から分岐した既述の枝管９と、枝管９に接続された既述の吸気ポート７，６とを備えている。サージタンク１６と枝管９とにより、吸気マニホールド８が構成されている。請求項との関係では枝管９と吸気ポート７，６とによって枝通路が構成されている。

スロットルバルブ１５は、遠隔的に駆動される電動モータ（アクチュエータ）１８を備えている。スロットルバルブ１５の入口には、吸気通路を構成する吸気ダクト１９が接続されており、内燃機関が過給機を備えていない場合は、吸気ダクト１９はエアクリーナに接続されている。他方、内燃機関が過給機を備えている場合は、吸気ダクト１９は、過給機におけるコンプレッサハウジングの吐出口か、又はインタークーラの出口に接続されている。

各枝管９は、サージタンク１６から下向きに延びてから、いったん上向きに姿勢を変えたのち略水平状になってシリンダヘッド３に向かい、先端がシリンダヘッド３の吸気ポート集合部７に接続されている。従って、各枝管９は、下向きに凹んだ曲がり部（下向き湾曲部）９ａを有している。

サージタンク１６には、当該サージタンク１６の内部に開口した取付け穴２０を有するブラケット部２１が一体に形成されており、ブラケット部２１に１本の補助インジェクタ２２が取付けられている。補助インジェクタ２２は、先端に向けて低くなるように傾斜姿勢に配置している。もとより、水平姿勢に配置したり鉛直姿勢（下向き姿勢）に配置するなど、姿勢は任意に設定できる。

また、補助インジェクタ２２は、サージタンク１６の軸心を挟んでシリンダヘッド３に近い側に配置しているが、シリンダヘッド３から遠い側に配置してもよい。

各メインインジェクタ１３は、クランク軸線方向に長く延びる燃料デリバリ管２３に取付けられており、燃料デリバリ管２３に燃料パイプ２４が接続されている。他方、補助インジェクタ２２は１本だけなので、補助インジェクタ２２の基端に燃料パイプ２５が直接接続されている。メインインジェクタ１３と補助インジェクタ２２とを近づけて配置して、１本の燃料デリバリ管２３に、各メインインジェクタ１３の群と補助インジェクタ２２とを姿勢を変えて取り付けることも可能である。

両インジェクタ１３，２２とも、燃料の噴出は内蔵した電磁弁によって行われており、電磁弁に通電するためのソケット２６にプラグ２７を接続している。プラグ２７は、制御装置であるＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）２８に結線されている。

シリンダヘッド３の排気側面に設けた排気出口穴（図示せず）に、触媒を内蔵した触媒ケース２９が、直接に又は吸気マニホールドを介して若しくは排気ターボ過給機を介して接続されている。排気出口穴が各気筒に対応して複数ある場合は、シリンダヘッド３の排気側面には排気マニホールドが固定されている。排気集合部をシリンダヘッド３の内部に形成して排気出口穴が１つのみ開口している場合は、触媒ケース２９は、エルボ管を介して直接に排気出口穴に接続されるか、又は、排気ターボ過給機を介して接続される。

排気通路３０のうち触媒ケース２９の下流側の部位からＥＧＲ通路３１を分岐させて、ＥＧＲ通路３１をサージタンク１６に接続している。すなわち、サージタンク１６に、ＥＧＲガスのＥＧＲガス導入口３２を開口させている。また、ＥＧＲ通路３１には、ＥＧＲガスの通過量を制御するＥＧＲバルブ３３を設けている。

ＥＧＲ通路３１のうちＥＧＲバルブ３３よりも上流側の部位からバイパス通路３４を分岐させて、バイパス通路３４に、上向きに湾曲して各枝管９の下部（曲がり部９ａの底部）と交差する加熱部３５を設けている。加熱部３５は枝管９の数だけあるため、バイパス通路３４に、各加熱部３５の上流側と下流側とに位置してクランク軸線方向に長く延びる連通管３６を設けて、２本の連通管３６に各加熱部３５を接続している。

図２のとおり、各加熱部３５は、それぞれ各枝管９における曲がり部９ａの内部に入り込んでいる。このように加熱部３５が一体化された枝管９の群は、２つ割りされた部材を接合することにより、合成樹脂によって製造できる。

バイパス通路３４のうち加熱部３５よりも上流側の部位には、加熱用バルブ（加熱ガス用流量調節バルブ）３７を設けている。この加熱用バルブ３７は、流量を段階的又は無段階的に調節できる仕様であってもよいし、全開と全閉とに切換わる仕様であってもよい。

バイパス通路３４の下流端は排気通路３０に接続されており、バイパス通路３４を流れたＥＧＲガスは、エゼクタ効果によって排気通路３０に吸引されるようになっている。バイパス通路３４のうち加熱部３５よりも下流側の部位には、念のため逆止弁３８を設けている。

触媒ケース２９には、Ａ／Ｆセンサ３９とＯ２センサ４０とを設けており、これらはＥＣＵ２８に結線されている。スロットルバルブ１５の電動モータ１８、各インジェクタ１３，２２のプラグ２７、ＥＧＲバルブ３３、バイパス通路３４に設けた加熱用バルブ３７もＥＣＵ２８によって制御される。また、ＥＣＵ２８には、イグニッションスイッチ４１と、例えばシリンダヘッド３のウォータジャケットを通過した冷却水の温度を検知する冷却水温度センサ４２も結線されている。

(2).制御の態様
実施形態の内燃機関は、機関温度を冷却水温度で代替しており、冷却水温度が予め設定した基準値よりも低い状態で始動されたときは、メインインジェクタ１３からの噴射に加えて、補助インジェクタ２２からも燃料が噴射される。

この場合、補助インジェクタ２２はサージタンク１６に設けているが、混合気がシリンダボア２に至るまでの距離が長いため、燃料と吸気との混合性がよい。また、サージタンク１６は容量が大きくて流速が低いが、このことによっても、燃料と吸気との混合性が高くなっている。従って、低温環境下での運転でも、燃料の気化を促進して完全燃焼化を促進できる。

冷却水温度が基準値よりも低い状態では、加熱用バルブ３７が開いている（例えば全開している）。このため、燃料の気化を更に促進して、完全燃焼を更に促進できる。また、サージタンク１６から送られた混合気が枝管９の内面に触れて、気化していた燃料が凝縮してミスト化するおそれがあるが、本実施形態では、図２に模式的に示すように、凝縮して液化した燃料４３は曲がり部９ａの底に溜まるため、凝縮してミスト化した燃料がシリンダボア２に流入することを防止又は大きく抑制できる。これによっても、完全燃焼化を促進できる。

また、曲がり部９ａの底には排気ガスが流れる加熱部３５が一体に繋がっているため、気化した燃料４３が曲がり部９ａの底に流下しても、即座に蒸発させることができる。この面でも、燃料の気化を促進して完全燃焼化を促進できる。冷却水が基準値よりも低い状態の運転では、ＥＧＲバルブ３３が開いて、サージタンク１６にＥＧＲガスが導入される。このＥＧＲガスの熱によって燃料の気化が促進される。

メインインジェクタ１３と補助インジェクタ２２とが併用されている状態では、冷却水温度が高くなるに従ってメインインジェクタ１３による噴射量が増大するように制御される。これにより、個々のシリンダボア２に燃料を直接的に噴射して燃焼の安定性・均一性を向上させることと、完全燃焼に近づけてＰＭやＣＯ，ＨＣ等の有害物質の発生を防止することとを、バランス良く実現できる。この状態でも、加熱部３５への排気ガスの供給とサージタンク１６へのＥＧＲガスの供給とは継続しているため、燃料の気化促進による完全燃焼化を確実化できる。

この場合、バイパス通路３４を流れる排気ガスの量は、冷却水温度の上昇に反比例させて低減させてもよいし、一定のままであってもよい。サージタンク１６に導入されるＥＧＲガスの量も同様であり、冷却水温度の昇温と反比例させてＥＧＲガスの導入量を低下させてもよいし、一定のままであってもよい。Ａ／Ｆセンサ及びＯ２センサの信号に基づいて、ＥＧＲバルブ３３を制御することも可能である。

冷却水温度がどの程度のときにメインインジェクタ１３と補助インジェクタ２２との噴射量の割合をどの程度にするかという具体的な値は、加熱用排気ガスの導入量やサージタンク１６のＥＧＲガスの導入量を考慮しつつ、実機試験を行いながら詰めていったらよい。つまり、例えば複数の温度域を設定して、各温度域でＰＭを許容量（ＰＮ）に抑制することを目標にして、できるだけメインインジェクタ１３による噴射量が多くしつつ、加熱用排気ガスの導入量とサージタンク１６へのＥＧＲガスの導入量を選択していき、制御マップを作成したらよい。

暖機状態を脱して冷却水温度が予め設定した基準値を越えると、燃料の噴射はメインインジェクタ１３のみからとなり、加熱用バルブ３７は閉じて、バイパス通路３４を流れる排気ガスの量はゼロになる。他方、サージタンク１６へのＥＧＲガスの導入量は、機関の回転数や負荷などに応じた通常制御マップに基づいて制御される。

バイパス通路３４の加熱部３５には、表面積を大きくして混合気との接触性を向上するためのリブや溝などを形成してもよい。このような表面積増大手段を設けると、燃料の気化を促進して完全燃焼化を助長できる。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えば、メインインジェクタは、吸気マニホールドの各枝管に設けることも可能である。

本願発明は、自動車用等の内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ シリンダブロック
２ シリンダボア
３ シリンダヘッド
４ 吸気口
６ 枝通路を構成する吸気ポート分岐部
７ 枝通路を構成する吸気ポート集合部
８ 吸気マニホールド
９ 枝通路を構成する枝管
９ａ 曲がり部
１３ メインインジェクタ
１５ スロットルバルブ
１６ 集合通路を構成するサージタンク
２２ 補助インジェクタ
２３ 燃料デリバリ管
２８ ＥＣＵ
２９ 触媒ケース
３１ ＥＧＲ通路
３２ ＥＧＲガス導入口
３３ ＥＧＲバルブ
３４ バイパス通路
３５ 加熱部
３７ 加熱用バルブ
４２ 機関温度を代替する冷却水温度センサ

Claims (1)

1. スロットルバルブから各気筒に至る吸気通路が、前記スロットルバルブに連通したサージタンクと、前記サージタンクから分岐して各気筒に向かう枝通路の群とで構成されており、前記各枝通路の箇所にはそれぞれメインインジェクタが配置されて、前記サージタンクには補助インジェクタとＥＧＲガス導入口とが配置されて、前記ＥＧＲガス導入口に、ＥＧＲバルブを備えたＥＧＲガス通路が接続されている構成であって、
   前記各枝通路に下向きに凹んだ曲がり部が形成されている一方、前記ＥＧＲガス通路に、加熱用バルブを備えた加熱用のバイパス通路が接続されて、前記バイパス通路の一部が前記曲がり部における底部の内部に入り込んでいて、
   更に、冷却水温度センサで検知した冷却水温度に基づいて前記補助インジェクタと前記メインインジェクタと前記加熱用バルブと前記ＥＧＲバルブを制御する制御装置を有しており、前記制御装置は、
   冷却水温度が予め設定した基準値よりも低い状態では、前記補助インジェクタとメインインジェクタとの両方から燃料を噴射させると共に、前記加熱用バルブを開いて前記曲がり部の加熱を行うことと前記ＥＧＲバルブを開いて前記サージタンクにＥＧＲガスを導入することを行いつつ、冷却水温度が高くなるに従って前記メインインジェクタからの燃料噴射量を増大させて、
   冷却水温度が前記基準値に至ると、前記メインインジェクタのみから燃料を噴射させると共に、前記加熱用バルブを閉じて前記曲がり部の加熱を停止させるように設定されている、
   内燃機関。

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