JP2020128713A

JP2020128713A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2020128713A
Application number: JP2019021008A
Authority: JP
Inventors: 賢児星; Kenji Hoshi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-02-07
Filing date: 2019-02-07
Publication date: 2020-08-27

Abstract

【課題】この発明は、主燃焼室と副室と当該副室内で点火を行うように設けられた点火プラグとを備える内燃機関に関し、高負荷時のプレイグニッションの抑制と低温時のエンジン始動性低下の抑制との両立を可能にすることを目的とする。【解決手段】内燃機関１０は、主燃焼室１２と、複数の連通孔３６を介して主燃焼室１２と連通する副室３２と、副室３２内で点火を行うように設けられた点火プラグ３８と、低温時に副室３２の壁を昇温させる加熱部（グロープラグ４０）と、を備える。【選択図】図１

Description

この発明は、内燃機関に関する。

例えば、特許文献１には、主燃焼室と副室と点火プラグとを備える内燃機関が開示されている。副室は、複数の連通孔を介して主燃焼室と連通している。点火プラグは、副室に配置された発火部を備えている。

特開２０１８−１７２９７４号公報

特許文献１に記載のような副室を備える内燃機関では、高負荷時のプレイグニッションの発生を抑制するために、熱伝導の優れた材料を用いて副室を形成することが考えられる。しかしながら、熱伝導が良いために低温時には副室の温度が下がり過ぎてしまい、その結果、エンジン始動性が低下するおそれがある。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、主燃焼室と副室と当該副室内で点火を行うように設けられた点火プラグとを備える内燃機関において、高負荷時のプレイグニッションの抑制と低温時のエンジン始動性低下の抑制との両立を可能にすることを目的とする。

本発明に係る内燃機関は、主燃焼室と、複数の連通孔を介して前記主燃焼室と連通する副室と、前記副室内で点火を行うように設けられた点火プラグと、低温時に前記副室の壁を昇温させる加熱部と、を備える。

本発明によれば、副室の壁の形成のために熱伝導の優れた材料を用いた場合であっても、低温時には、加熱部を利用して副室を昇温させることによってエンジン始動性の低下を抑制できる。したがって、本発明によれば、副室の壁の形成のために熱伝導の優れた材料を用いて高負荷時のプレイグニッションの抑制を図りつつ、低温時のエンジン始動性の低下を抑制することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る内燃機関の構成例を表した模式図である。低温時における副室の壁の材質とエンジン始動性との関係を説明するための図である。内燃機関が適用されたハイブリッド車両の例におけるグロープラグの作動例について説明するためのタイムチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

１．内燃機関の構成例
図１は、本発明の実施の形態に係る内燃機関１０の構成例を表した模式図である。図１に示す内燃機関１０は、一例として、内燃機関１０とともに電動機（図示省略）を動力源として利用するハイブリッド車両に搭載されている。ただし、内燃機関１０は、内燃機関１０のみを動力源とする車両に搭載されてもよい。

内燃機関１０は、例えばガソリンを燃料とする火花点火式エンジンをベースとして、火花点火を利用した予混合圧縮自着火燃焼方式（ＰＣＣＩ（Premixed Charge Compression Ignition）燃焼方式）を利用可能に構成されている。内燃機関１０の気筒数は、一例として４つであるが、４つ以外の１つ又は複数であってもよい。

具体的には、内燃機関１０は、気筒毎に主燃焼室１２を備えている。主燃焼室１２は、シリンダブロック１４、ピストン１６及びシリンダヘッド１８によって囲まれた空間である。主燃焼室１２には、吸気ポート２０及び排気ポート２２が連通している。吸気ポート２０における主燃焼室１２側の端部は、吸気弁２４によって開閉され、排気ポート２２における主燃焼室１２側の端部は、排気弁２６によって開閉される。

内燃機関１０は、主燃焼室１２内に燃料を供給するための燃料噴射弁の一例として、筒内噴射弁２８とポート噴射弁３０とを備えている。筒内噴射弁２８は、主燃焼室１２内に燃料を直接噴射し、ポート噴射弁３０は、吸気ポート２０内に燃料を噴射する。なお、図１に示す構成に代え、筒内噴射弁２８及びポート噴射弁３０の何れか一方のみが備えられてもよい。

内燃機関１０は、副室３２を備えている。副室３２は、図１に示すように、主燃焼室１２内に配置されている。より詳細には、副室３２は、気筒中央側の位置においてシリンダヘッド１８からピストン１６の側に突出するように設けられている。副室３２は、副室３２を形成する副室部材３４によって主燃焼室１２と隔てられている。また、副室部材３４には、複数の連通孔３６が形成されており、副室３２は、これらの連通孔３６を介して主燃焼室１２と連通している。

内燃機関１０は、点火プラグ３８を備えている。点火プラグ３８は、副室３２内で点火を行うように設けられている。より詳細には、点火プラグ３８は、その先端（電極部）が副室３２内に配置されるように副室部材３４内に挿入されている。図１に示す例では、点火プラグ３８は副室部材３４と一体的に構成されている。したがって、この例では、点火プラグ３８と一体化された副室部材３４がシリンダヘッド１８に取り付けられている。しかしながら、このような例に代え、副室部材は、シリンダヘッドに対して直接的に取り付けられた点火プラグの先端（電極部）を覆うように形成されてもよい。

副室３２の壁を構成する副室部材３４は、熱伝導の優れた材料（例えば、ベリリウム鋼）を用いて構成されている。さらに、内燃機関１０は、副室３２の壁を昇温させるためのグロープラグ４０を備えている。より詳細には、グロープラグ４０は、一例として、点火プラグ３８と一体化された副室部材３４（副室３２の壁）に組み込まれている。なお、副室３２の壁を昇温可能な位置であれば、グロープラグ４０の設置場所は特に限定されない。

図１に示すシステムは、内燃機関１０及びこれを搭載するハイブリッド車両を制御するための制御装置５０を備えている。制御装置５０は、少なくとも１つのプロセッサと少なくとも１つのメモリと入出力インターフェースとを有するＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。入出力インターフェースは、内燃機関１０及びハイブリッド車両に搭載されたセンサ類５２からセンサ信号を取り込むとともに、内燃機関１０及びハイブリッド車両の運転を制御するための各種アクチュエータに対して操作信号を出力する。センサ類５２は、アクセル開度、車速、エンジン回転数、及び内燃機関１０の吸入空気流量等を検出するためのセンサを含む。また、ここでいう各種アクチュエータは、筒内噴射弁２８、ポート噴射弁３０、及び、点火プラグ３８を含む点火装置を含む。また、制御装置５０はグロープラグ４０の通電を制御する。

以上説明したように構成された内燃機関１０によれば、主燃焼室１２から副室３２内に流入した混合気に対して副室３２内で火花点火を行って燃焼を開始させることにより、ＰＣＣＩ燃焼を行うことができる。より詳細には、このような燃焼形態によれば、点火プラグ３８での初期着火によって副室３２内で火炎が形成され、かつ、副室３２から出た火炎のジェット流が主燃焼室１２内の燃焼を促進させることができる。その結果、等容度の向上（燃焼速度の増加）が可能となる。

２．高負荷時のプレイグニッションの抑制と低温始動性確保との両立に関する課題
上述のＰＣＣＩ燃焼方式を採用した場合には、高負荷時（より詳細には、高回転高負荷時）のプレイグニッション（異常燃焼）の抑制と、低温時（より詳細には、極低温時）のエンジン始動性低下の抑制とを両立させることが求められる。

まず、高負荷時のプレイグニッションの抑制のためには、本実施形態の内燃機関１０で採用されているように、副室の壁（副室部材）を熱伝導の優れた材料（例えば、ベリリウム鋼）を用いて構成することが好適である。これにより、副室の壁からシリンダヘッドへの放熱により、副室内の温度上昇を抑制することができる。その結果、プレイグニッションの発生を抑制することができる。

しかしながら、熱伝導の優れた材料が副室の形成のために使用されると、次のような背反が生じる。すなわち、環境温度が低温（より詳細には、極低温）に至った場合に、熱伝導が優れることに起因して副室自体の温度も低下してしまう。図２は、低温時における副室の壁の材質とエンジン始動性との関係を説明するための図である。図２（Ａ）は、副室の壁の材質としてＳＵＳ（ステンレス鋼）を使用する例に対応し、図２（Ｂ）は、副室の壁の材質としてベリリウム鋼を使用する例に対応している。図２を参照して例示されるＳＵＳ（ステンレス鋼）の熱伝導率は１６Ｗ／ｍＫであり、ベリリウム鋼の熱伝導率は２４２Ｗ／ｍＫである。

まず、図２（Ａ）に示す例（熱伝導が相対的に良くない材料の例）では、副室温度（副室内のガス温度）は、スタータモータの作動開始（スタータＯＮ）後のクランキング中から徐々に上昇していき、初爆後にはエンジン回転数の上昇とともに良好に上昇している。一方、図２（Ｂ）に示す例（熱伝導が相対的に優れた材料の例）では、初爆後の副室温度の上昇が満足に進まず、かつ、初爆直後において着火性の良し悪しに起因するエンジン回転数の大きな変動が見られる。

図２を参照して例示したように、熱伝導の優れた材料が副室の形成のために用いられると、低温時のエンジン始動性が低下するおそれがある。その理由は次の通りである。すなわち、低温時には、そもそも主燃焼室内で燃料の霧化が促進されにくいため、液滴状態にある燃料が副室内に入り込みにくい。そのうえで、熱伝導の優れた材料が用いられた場合には、霧化している燃料が低温の副室の壁に触れることで凝縮し易くなり、その結果、燃料が副室内により入り込みにくくなる。また、副室内に燃料が存在したとしても、副室内での燃料の霧化が促進されにくいため、点火プラグによる着火後に直ぐに消炎状態になり易くなる。以上の理由により、熱伝導の優れた材料が用いられると、低温時のエンジン始動性が低下してしまう。

３．上記課題への対策及びその効果
上述の課題に鑑み、本実施形態の内燃機関１０では、副室３２の壁を構成する副室部材３４が、熱伝導の優れた材料の一例であるベリリウム鋼を用いて構成され、かつ、副室３２の壁を昇温させるためのグロープラグ４０が副室部材３４内に配置されている。そして、低温時には、グロープラグ４０の通電が実行される。なお、グロープラグ４０は、本発明に係る「加熱部」の一例に相当する。

以上のように構成された本実施形態の内燃機関１０によれば、高負荷時のプレイグニッションの発生の抑制のために、熱伝導の優れた材料を用いて副室３２の壁を形成しつつ、低温時にはグロープラグ４０が作動する。その結果、発熱するグロープラグ４０を利用して、副室３２の壁を昇温（暖機）させることができる。これにより、副室３２内の燃料の霧化の促進、及び副室３２内のガス温度の上昇を促進できる。また、副室３２の周りに存在する主燃焼室１２内の燃料の霧化の促進と、それに伴う燃料の副室３２内への流入の促進とを図ることができる。その結果、副室３２内での混合気の着火性を改善できるので、低温時のエンジン始動性の低下を抑制できる。したがって、内燃機関１０によれば、高負荷時のプレイグニッションの抑制と、低温時のエンジン始動性低下の抑制とを両立させることができる。

４．グロープラグの作動例
次に、図３は、内燃機関１０が適用されたハイブリッド車両の例におけるグロープラグ４０の作動例について説明するためのタイムチャートである。図３は、低温時（より詳細には、環境温度（例えば、エンジン冷却水温度）が所定値以下である時）に、時点ｔ１におけるアクセルペダルの踏み込みに伴って電動機による車両走行が開始されるとともに内燃機関１０が始動される状況を例示している。

ここで例示されるハイブリッド車両では、モータジェネレータをスタータモータとして利用して内燃機関１０のクランキングが行われるものとする。図３に示す例では、アクセルペダルの踏み込み後の時点ｔ２において、上記モータジェネレータを利用したクランキングが開始され、その結果、エンジン回転数が上昇し始めている。

この例では、グロープラグ４０の通電は、時点ｔ２におけるクランキングの開始から時点ｔ４まで実行されている。この時点ｔ４は、時点ｔ３における点火プラグ３８による点火開始に伴う初爆からの所定時間の経過時点に相当する。このように低温下でのエンジン始動時（初爆付近の期間）においてグロープラグ４０を用いて副室３２の壁を昇温させることにより、エンジン始動性の低下を抑制できる。なお、このような例に代え、グロープラグ４０の通電期間は、例えば、クランキングの開始（時点ｔ２）からエンジン初爆の時点ｔ３までであってもよい。

１０内燃機関
１２主燃焼室
１４シリンダブロック
１６ピストン
１８シリンダヘッド
２０吸気ポート
２２排気ポート
２４吸気弁
２６排気弁
２８筒内噴射弁
３０ポート噴射弁
３２副室
３４副室部材
３６連通孔
３８点火プラグ
４０グロープラグ
５０制御装置
５２センサ類

Claims

主燃焼室と、
複数の連通孔を介して前記主燃焼室と連通する副室と、
前記副室内で点火を行うように設けられた点火プラグと、
低温時に前記副室の壁を昇温させる加熱部と、
を備える
ことを特徴とする内燃機関。