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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-11-14
(45)【発行日】2023-11-22
(54)【発明の名称】内燃機関
(51)【国際特許分類】
   F02D 41/06 20060101AFI20231115BHJP
   F02D 43/00 20060101ALI20231115BHJP
   F02M 26/17 20160101ALI20231115BHJP
   F02M 31/08 20060101ALI20231115BHJP
   F02M 35/10 20060101ALI20231115BHJP
   F02M 35/104 20060101ALI20231115BHJP
   F02M 69/00 20060101ALI20231115BHJP
【FI】
F02D41/06
F02D43/00 301G
F02D43/00 301N
F02D43/00 301P
F02M26/17
F02M31/08 311F
F02M35/10 311B
F02M35/10 311E
F02M35/104 P
F02M69/00 310U
F02M69/00 350F
F02M69/00 350H
F02M69/00 350P
【請求項の数】 1
(21)【出願番号】P 2018243412
(22)【出願日】2018-12-26
(65)【公開番号】P2020105944
(43)【公開日】2020-07-09
【審査請求日】2021-11-15
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】000002967
【氏名又は名称】ダイハツ工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100099966
【弁理士】
【氏名又は名称】西 博幸
(74)【代理人】
【識別番号】100134751
【弁理士】
【氏名又は名称】渡辺 隆一
(72)【発明者】
【氏名】森 順平
【審査官】戸田 耕太郎
(56)【参考文献】
【文献】実開平06-087669(JP,U)
【文献】特開2004-060474(JP,A)
【文献】特開2007-187057(JP,A)
【文献】特開平04-298676(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F02D 41/06
F02D 43/00
F02M 26/17
F02M 35/104
F02M 35/10
F02M 31/08
F02M 69/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】実開昭58-92454号のマイクロフィルム
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【課題を解決するための手段】
【0013】
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。
【0014】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【発明の効果】
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【図面の簡単な説明】
【0028】
図1】実施形態に係る内燃機関の模式図である。
図2図1のII-II 視断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0029】
(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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
(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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
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。
【0055】
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。
【0056】
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。
【産業上の利用可能性】
【0057】
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。
【符号の説明】
【0058】
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
図1
図2