(57)【要約】【課題】液体窒素による気筒内の油膜の損傷を抑制しつつ、エンジンの吸気を冷却して、エンジンの燃費を向上させることができるエンジンシステムを提供する。【解決手段】エンジンシステム１は、気筒１１と気筒１１に連通する吸気通路２５とを有するエンジン１０と、予め設定された所定の液体窒素供給開始条件が満たされた場合に、吸気通路２５の内部に液体窒素を供給する液体窒素供給装置５０と、を備える。このエンジンシステム１によれば、液体窒素による気筒１１内の油膜の損傷を抑制しつつ、エンジン１０の吸気を冷却して、エンジン１０の燃費を向上させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒と前記気筒に連通する吸気通路とを有するエンジンと、
予め設定された所定の液体窒素供給開始条件が満たされた場合に、前記吸気通路の内部に液体窒素を供給する液体窒素供給装置と、を備えるエンジンシステム。
【請求項２】
前記吸気通路は、前記エンジンのシリンダヘッドに設けられて前記気筒に連通する吸気ポートと、前記吸気ポートの上流側端部に連通する吸気管と、を有し、
前記液体窒素供給装置は、前記液体窒素供給開始条件が満たされた場合において、前記液体窒素を前記吸気ポートの内部に供給する請求項１記載のエンジンシステム。
【請求項３】
前記液体窒素供給装置は、前記液体窒素供給開始条件が満たされた場合において閉弁状態から開弁状態に切り替わるとともに、前記開弁状態に切り替わった場合に前記吸気通路の前記内部に向けて前記液体窒素を噴射する液体窒素噴射弁と、前記液体窒素噴射弁が噴射する前記液体窒素を前記液体窒素噴射弁に供給する供給機構と、を備える請求項１又は２に記載のエンジンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示はエンジンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、液体窒素を噴射する液体窒素噴射弁をエンジンに配置し、この液体窒素噴射弁によって、エンジンの気筒の内部に向けて液体窒素を噴射する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１２−５１１６６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃費向上の観点からは、吸気の温度は低い方が好ましい。これに関して、特許文献１に係る技術のように、気筒の内部に向けて液体窒素を噴射することで、気筒の内部に液体窒素を直接供給することによっても、気筒内の吸気の温度を低下させることは可能と考えられる。しかしながら、この技術の場合、液体窒素噴射弁から噴射された液体窒素が気筒の側壁に直接衝突してしまい、この結果、気筒の側壁に付着している油膜（すなわち気筒内の油膜）が液体窒素によって損傷するおそれがある。
【０００５】
本開示は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、液体窒素による気筒内の油膜の損傷を抑制しつつ、エンジンの吸気を冷却して、エンジンの燃費を向上させることができるエンジンシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本開示に係るエンジンシステムは、気筒と前記気筒に連通する吸気通路とを有するエンジンと、予め設定された所定の液体窒素供給開始条件が満たされた場合に、前記吸気通路の内部に液体窒素を供給する液体窒素供給装置と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本開示によれば、気筒の内部ではなく、吸気通路の内部に液体窒素を供給しているので、気筒の側壁の油膜が液体窒素によって損傷することを抑制しつつ、吸気通路の内部に供給された液体窒素によって吸気を冷却して、エンジンの燃費を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態に係るエンジンシステムの模式的構成図である。
【図２】実施形態に係る液体窒素噴射弁の制御フローを示すフローチャートの一例である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態に係るエンジンシステム１について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係るエンジンシステム１の模式的構成図である。本実施形態に係るエンジンシステム１は、一例として、車両に搭載されている。すなわち、本実施形態に係るエンジンシステム１は、車両用のエンジンシステムである。この車両の具体的な種類は特に限定されるものではなく、乗用車や、トラック、バス等の種々の車両を用いることができる。
【００１０】
なお、エンジンシステム１の用途は、上述したような車両用に限定されるものではない。他の例を挙げると、エンジンシステム１は、産業機械に搭載されて用いることもできる（すなわち、産業機械用のエンジンシステムであってもよい）。あるいは、エンジンシステム１は、定置用のエンジンシステムであってもよい。特に、エンジンシステム１が定置用の場合は、車両用の場合に比較して、後述する液体窒素供給装置５０への液体窒素の補給が容易に行えるという利点を有している。
【００１１】
このエンジンシステム１は、エンジン１０と、センサ群３０と、制御装置４０と、液体窒素供給装置５０とを備えている。エンジン１０の具体的な種類は特に限定されるものではなく、軽油を燃料とするディーゼルエンジンや、ガソリンを燃料とするガソリンエンジン等、種々のエンジンを用いることができる。本実施形態では、エンジン１０の一例として、ディーゼルエンジンを用いている。
【００１２】
エンジン１０は、気筒１１が形成されたシリンダブロック１２、このシリンダブロック１２の上部に配置されたシリンダヘッド１３、気筒１１に配置されたピストン１４、ピストン１４にコンロッド（図示せず）を介して接続されたクランクシャフト（図示せず）、気筒１１（具体的には気筒１１内の燃焼室）に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁（図示せず）等を備えている。
【００１３】
また、エンジン１０は吸気通路２５及び排気通路２６を備えている。吸気通路２５は、気筒１１に吸入される吸気が通過する通路であり、その下流側端部が気筒１１に連通している。排気通路２６は、気筒１１から排出された排気が通過する通路であり、その上流側端部が気筒１１に連通している。具体的には、吸気通路２５は、シリンダヘッド１３に設けられて気筒１１に連通する吸気通過用の孔である吸気ポート１５と、この吸気ポート１５の上流側端部に連通した吸気管１７とを備えている。排気通路２６は、シリンダヘッド１３に設けられて気筒１１に連通する排気通過用の孔である排気ポート１６と、この排気ポート１６の下流側端部に連通した排気管１８とを備えている。また、エンジン１０は、吸気ポート１５の下流側端部を開閉する吸気弁１９と、排気ポート１６の上流側端部を開閉する排気弁２０とを備えている。このようなエンジン１０は、エンジン１０の運転中において、吸気行程、圧縮行程、燃焼・膨張行程、排気行程からなる燃焼サイクルを繰り返し行っている。
【００１４】
センサ群３０は、エンジン１０のクランク角を検出するクランク角センサや、車両のアクセル開度を検出するアクセル開度センサ、車両のブレーキ開度を検出するブレーキ開度センサ等、種々のセンサを有している。これらのセンサは、信号線を介して制御装置４０と電気的に接続されており、検出値を制御装置４０に伝える。
【００１５】
制御装置４０は、後述する液体窒素供給装置５０を制御する。また、本実施形態に係る制御装置４０は、エンジン１０の燃料噴射弁の燃料噴射時期や燃料噴射量等も制御することで、エンジン１０も制御している。なお、液体窒素供給装置５０を制御する制御装置は、エンジン１０を制御する制御装置とは別体の制御装置によって構成されていてもよい。
【００１６】
制御装置４０は、各種の制御処理を実行するプロセッサとしての機能を有するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）４１と、ＣＰＵ４１の動作に用いられる各種データやプログラム等を記憶する記憶部４２と、を有するマイクロコンピュータを備えている。なお、記憶部４２は、具体的には、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）等の記憶媒体によって構成されている。
【００１７】
液体窒素供給装置５０は、予め設定された所定の液体窒素供給開始条件が満たされた場合に、吸気通路２５の内部に液体窒素（Ｌｎ）を供給する装置である。具体的には、本実施形態に係る液体窒素供給装置５０は、液体窒素を、吸気通路２５における吸気ポート１５の内部に供給する。
【００１８】
上記のような機能を有するものであれば、液体窒素供給装置５０の具体的な構成は特に限定されるものではないが、本実施形態に係る液体窒素供給装置５０は一例として、液体窒素噴射弁５１と、液体窒素噴射弁５１が噴射する液体窒素を液体窒素噴射弁５１に供給する供給機構５２とを備えている。
【００１９】
液体窒素噴射弁５１は、制御装置４０によって制御されることで、開弁状態と閉弁状態とを切り替えることが可能な噴射弁である。このような液体窒素噴射弁５１としては、例えば、一般的な燃料噴射弁として用いられているインジェクタを適用することができる。
【００２０】
また、液体窒素噴射弁５１は、開弁状態に切り替わった場合に吸気通路２５の内部に向けて液体窒素を噴射するように、エンジン１０に配置されている。具体的には、本実施形態に係る液体窒素噴射弁５１は、一例として、エンジン１０の吸気管１７の部分に配置されている。そして、液体窒素噴射弁５１は、制御装置４０の制御指示を受けて、液体窒素供給開始条件が満たされた場合に閉弁状態から開弁状態に切り替わることで、液体窒素噴射弁５１の先端部に設けられた噴孔（液体窒素を噴射する孔）から、吸気ポート１５の内部に向けて液体窒素を噴射する。
【００２１】
なお、液体窒素噴射弁５１の構成は上記の内容に限定されるものではない。他の例を挙げると、液体窒素噴射弁５１は、例えばシリンダヘッド１３の部分に配置されて、吸気ポート１５の内部に向けて液体窒素を噴射してもよい。あるいは、液体窒素噴射弁５１は、吸気通路２５における吸気管１７の内部に向けて液体窒素を噴射するように、エンジン１０に配置されていてもよい。
【００２２】
供給機構５２は、液体窒素貯留部５３及び配管部５４を備えている。液体窒素貯留部５３は、液体窒素噴射弁５１が噴射する液体窒素を貯留する部位であり、本実施形態においては、一例として、液体窒素を貯留するタンクによって構成されている。配管部５４は、液体窒素貯留部５３と液体窒素噴射弁５１とを連通する配管である。液体窒素貯留部５３の内部において、液体窒素の一部は気化している。これにより、液体窒素貯留部５３の内圧は大気圧よりも高くなっている。このため、液体窒素噴射弁５１が開弁状態に切り替わることで、液体窒素貯留部５３の内部の液体窒素は、配管部５４を介して液体窒素噴射弁５１に自動的に供給される。
【００２３】
なお、供給機構５２は、液体窒素貯留部５３の内圧を調整するための圧力調整弁をさらに備える構成とすることもできる。また、供給機構５２は、液体窒素貯留部５３の液体窒素を液体窒素噴射弁５１に向けて圧送するためのポンプをさらに備える構成とすることもできる。
【００２４】
続いて、液体窒素噴射弁５１の動作の詳細について説明する。図２は、液体窒素噴射弁５１の制御フローを示すフローチャートの一例である。この図２のフローチャートの各ステップは、制御装置４０の具体的にはＣＰＵ４１が記憶部４２に記憶されているプログラムに基づいて実行する。制御装置４０は、この図２のフローチャートをエンジン１０の始動開始と同時にスタートする。また、図２の最初のスタート時において、液体窒素噴射弁５１は閉弁状態になっているものとする。
【００２５】
ステップＳ１０において、制御装置４０は、予め設定された所定の液体窒素供給開始条
件が満たされたか否かを判定する。この液体窒素供給開始条件は、液体窒素供給装置５０が液体窒素の供給を開始するための条件であり、その具体的な内容は、特に限定されるものではないが、本実施形態においては、一例として、エンジン１０の燃焼サイクル行程が吸気行程であるという条件を用いている。具体的には、本実施形態に係る制御装置４０は、クランク角センサの検出結果に基づいて、エンジン１０の燃焼サイクル行程が吸気行程であるか否かを判定し、エンジン１０の燃焼サイクル行程が吸気行程であると判定した場合に、液体窒素供給開始条件が満たされた（ＹＥＳ）と判定する。
【００２６】
ステップＳ１０でＹＥＳと判定された場合、制御装置４０は、液体窒素噴射弁５１を開弁状態に制御する（ステップＳ２０）。これにより、液体窒素噴射弁５１は、エンジン１０の吸気行程において、吸気通路２５における吸気ポート１５の内部に液体窒素を噴射する。次いで、制御装置４０は、フローチャートをスタートから再度実行する（リターン）。
【００２７】
なお、本実施形態に係るステップＳ２０において液体窒素噴射弁５１が開弁状態に切り替わる時期は、吸気行程中であればよく、その具体的な時期は特に限定されるものではない。例えば、液体窒素噴射弁５１は、吸気行程の開始と同時に、開弁状態に切り替わってもよく、吸気行程の途中の時期（吸気行程が開始してから所定時間が経過したとき）に、開弁状態に切り替わってもよい。
【００２８】
また、ステップＳ２０において、制御装置４０は、液体窒素噴射弁５１に、予め設定された一定量（ｍｍ３／ｓｅｃ）の液体窒素を噴射させてもよく、あるいは、エンジン１０の運転状態に基づいて液体窒素噴射弁５１が噴射する液体窒素量を制御してもよい。
【００２９】
制御装置４０がエンジン１０の運転状態に基づいて液体窒素噴射弁５１が噴射する液体窒素量を制御する場合には、具体的には、制御装置４０は、エンジン１０の運転状態を示すパラメータに基づいて、液体窒素噴射弁５１が噴射する液体窒素量を制御すればよい。このパラメータとしては、例えば、エンジン回転数、エンジン負荷、エンジン１０の吸気量、及び、エンジン１０の周囲の外気温度のうち、少なくとも一つのパラメータを用いることができる。そこで、制御装置４０が、エンジン回転数、エンジン負荷、エンジン１０の吸気量、及び、エンジン１０の周囲の外気温度の全てに基づいて、液体窒素噴射弁５１の液体窒素量を制御する場合を例に挙げて、この具体例を説明すると次のようになる。
【００３０】
まず、液体窒素噴射弁５１が噴射する液体窒素量（ｍｍ３／ｓｅｃ）と、「エンジン回転数、エンジン負荷、エンジン１０の吸気量、及び、エンジン１０の周囲の外気温度」と、を関連付けて規定したマップを予め準備しておき、このマップを記憶部４２に予め記憶させておく。制御装置４０は、エンジン回転数を検出する回転数センサの検出値に基づいて、エンジン回転数（ｒｐｍ）を取得する。また、制御装置４０は、予め記憶部４２に記憶されている燃料噴射量マップに基づいて、燃料噴射量（ｍｍ３／ｓｅｃ）を取得し、これをエンジン負荷として用いる。制御装置４０は、吸気通路２５に配置されているエアフロメータの検出値に基づいて、エンジン１０の吸気量（ｍｍ３／ｓｅｃ）を取得する。制御装置４０は、エンジン１０の周囲の外気温度を検出する温度センサの検出値に基づいて、エンジン１０の周囲の外気温度（℃）を取得する。そして、制御装置４０は、このようにして取得された、エンジン回転数、エンジン負荷、吸気量、及び、外気温度に対応する液体窒素量を、マップから抽出し、この抽出された液体窒素量が噴射されるように、液体窒素噴射弁５１を制御する。このようにして、制御装置４０は、エンジン１０の運転状態に基づいて、液体窒素噴射弁５１から噴射される液体窒素量を制御することができる。
【００３１】
ステップＳ１０でＮＯと判定された場合（液体窒素供給開始条件が満たされない場合）、制御装置４０は、液体窒素噴射弁５１を閉弁状態に制御する（ステップＳ３０）。具体的には、ステップＳ３０の実行前に、既に液体窒素噴射弁５１が閉弁状態になっている場合には、制御装置４０は、ステップＳ３０において、この閉弁状態を維持させる。一方、ステップＳ３０の実行前に、液体窒素噴射弁５１が開弁状態になっている場合には、制御装置４０は、ステップＳ３０において、液体窒素噴射弁５１を閉弁状態に切り替える。このステップＳ３０において、液体窒素噴射弁５１による液体窒素の噴射は行われない。次いで、制御装置４０は、フローチャートをスタートから再度実行する（リターン）。
【００３２】
続いて、本実施形態に係るエンジンシステム１の作用効果を説明する。まず、本実施形態によれば、液体窒素供給装置５０によって、気筒１１の内部ではなく、吸気通路２５の内部（具体的には、上記の実施形態では吸気ポート１５の内部）に液体窒素が供給されているので、気筒１１の側壁の油膜が気筒１１に直接供給された液体窒素によって損傷することを抑制することができる。また、液体窒素による吸気の冷却によって、エンジン１０における比熱比を高めて、エンジン１０の燃焼サイクルの理論効率を向上させることができる。この結果、エンジン１０の燃費を向上させることができる。
【００３３】
すなわち、本実施形態によれば、液体窒素による気筒１１内の油膜の損傷を抑制しつつ、吸気通路２５の内部に供給された液体窒素によって吸気を冷却して、エンジン１０の燃費を向上させることができる。
【００３４】
また、本実施形態によれば、液体窒素によって吸気が冷却されているので、気筒１１内への吸気（新気）の充填効率を高めることもできる。これにより、エンジン１０の出力を向上させつつ、燃費を向上させることができる。また、本実施形態によれば、吸気通路２５の内部に供給された液体窒素によって、気筒１１に吸入される吸気を希釈することもできるので、「排気を吸気管１７へ還流するＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：排気還流）」と同様の効果を得ることもできる。
【００３５】
また、前述した特許文献１に係る技術のように、液体窒素が気筒１１の内部に直接供給される場合、気筒１１の側壁の油膜の熱が液体窒素によって直接的に奪われるため、この油膜の温度が低くなり過ぎるおそれがある。この場合、ピストン１４が気筒１１内を摺動するときのフリクションが増大してしまい、燃費が悪化するおそれがある。これに対して、本実施形態によれば、液体窒素が気筒１１の内部ではなく、吸気通路２５の内部に供給されているので、このような問題が生じるおそれがない。この点においても、本実施形態によれば、エンジン１０の燃費を効果的に向上させることができる。
【００３６】
なお、前述した図１に示す液体窒素供給装置５０は、吸気通路２５における吸気ポート１５の内部に液体窒素を供給しているが、液体窒素供給装置５０が吸気通路２５における吸気管１７の内部に液体窒素を供給する場合においても、上述した吸気ポート１５の内部に液体窒素が供給される場合と同様の効果を奏することができる。但し、吸気ポート１５の内部に液体窒素が供給される場合の方が、吸気管１７の内部に液体窒素が供給される場合に比較して、吸気の流動方向で見た場合に気筒１１に近い箇所に液体窒素が供給されているので、気筒１１内における吸気の温度を効果的に低下させることができる。この結果、エンジン１０の燃費を効果的に向上させることができる。
【００３７】
（上記実施形態の変形例）
上述した実施形態において、液体窒素供給開始条件として、エンジン１０の燃焼サイクル行程が吸気行程であるという条件を用いたが、液体窒素供給開始条件の具体的な内容はこれに限定されるものではない。液体窒素供給開始条件の他の例として、例えば、以下の内容を用いることができる。
【００３８】
液体窒素供給開始条件として、エンジン１０の燃焼サイクル行程が、吸気行程以外の行
程であるという条件、すなわち、圧縮行程、燃焼・膨張行程、及び、排気行程のいずれかの一つの行程であるという条件を用いることもできる。なお、このように、エンジン１０の燃焼サイクル行程が吸気行程以外の行程の場合であっても、吸気通路２５の内部には、吸気が滞留している。このため、吸気行程以外の時期に吸気通路２５の内部に液体窒素が供給された場合であっても、液体窒素によって、この滞留している吸気を冷却することができる。これにより、エンジン１０に吸入される吸気を冷却して、エンジン１０の燃費の向上を図ることができる。
【００３９】
但し、吸気通路２５の内部に液体窒素が供給される時期が吸気行程である場合の方が、吸気行程以外の時期である場合に比較して、エンジン１０に吸入される吸気をより効果的に冷却することができる。この点において、吸気行程において液体窒素を供給する場合の方が、エンジン１０の燃費の向上を効果的に図ることができる。
【００４０】
また、液体窒素供給開始条件は、エンジン１０の暖機が完了したという条件をさらに含むこともできる。すなわち、この場合、制御装置４０は、エンジン１０の暖機が完了した場合において、エンジン１０の燃焼サイクル行程が吸気行程である場合又は吸気行程以外の行程である場合に、液体窒素噴射弁５１からの液体窒素の供給を開始させる。
【００４１】
なお、エンジン１０の暖機が完了したか否かを判定するにあたり、制御装置４０は、例えば、エンジン１０を冷却するエンジン冷媒の温度を検出する温度センサの検出値に基づいて、エンジン冷媒の温度（℃）が予め設定された所定温度（℃）よりも高いか否かを判定し、この判定の結果、エンジン冷媒の温度が所定温度よりも高いと判定した場合に、エンジン１０の暖機が完了したと判定すればよい。
【００４２】
この構成によれば、エンジン１０の暖機が未完了の場合に、液体窒素によって吸気が冷却されることを抑制することができる。これにより、吸気の温度が低くなり過ぎることを抑制することができるので、吸気の温度が低くなり過ぎることに起因して、排気中のＨＣが増加することを抑制することができるとともに、エンジン１０の暖機時間が長期化することも抑制することができる。
【００４３】
なお、以上説明した実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定するものではない。上述した実施形態は、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において、さらなる変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１  エンジンシステム
１０  エンジン
１１  気筒
１２  シリンダブロック
１３  シリンダヘッド
１５  吸気ポート
１７  吸気管
２５  吸気通路
４０  制御装置
５０  液体窒素供給装置
５１  液体窒素噴射弁
５２  供給機構
５３  液体窒素貯留部
５４  配管部
【図１】
2020041467.tif 000003
【図２】
2020041467.tif 000004