(57)【要約】【課題】燃料をより効果的に加熱することができる加熱手段を備えた内燃機関を提供する。【解決手段】吸気管１２の内壁面に沿った形状の電気ヒータ３０を有し、電気ヒータ３０は、端部に鍔状部３０ｂを備え、電気ヒータ３０が燃焼室側から吸気管１２に挿入された状態においてバルブシート部材３２で鍔状部３０ｂを押さえられて固定されている内燃機関１００とする。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の吸気管内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記吸気管と燃焼室との間に設けられた吸気バルブと、
前記吸気バルブが着座する円筒状のバルブシート部材と、
前記燃料噴射弁へ燃料を供給する燃料ポンプと、
前記吸気管における燃料供給経路中において燃料を加熱する加熱手段と、
を備え、
前記加熱手段は、前記吸気管の内壁面に沿った形状の電気ヒータを有し、前記電気ヒータは、端部に鍔状部を備え、前記電気ヒータが前記燃焼室側から前記吸気管に挿入された状態において前記バルブシート部材で前記鍔状部を押さえられて固定されていることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関であって、
前記電気ヒータは、前記吸気管に設けられた挿入穴の径を中心軸に沿って延長した円筒内に収まる形状を有することを特徴とする内燃機関。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の内燃機関であって、
前記電気ヒータと前記吸気管の内壁面との間に間隙が設けられていることを特徴とする内燃機関。
【請求項４】
請求項３に記載の内燃機関であって、
前記間隙は、前記電気ヒータの前記鍔状部以外の部分に設けられていることを特徴とする内燃機関。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関であって、
前記吸気管の内壁に溝状の凹部が設けられており、前記凹部に前記電気ヒータが嵌め込まれていることを特徴とする内燃機関。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関であって、
前記バルブシート部材の内径と前記電気ヒータの内径とが等しく、前記バルブシート部材と前記電気ヒータの継ぎ目において内壁面の段差がないことを特徴とする内燃機関。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関であって、
前記電気ヒータと前記吸気管との間がシール部材によってシールされていることを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料を気化させて燃焼室内に供給する燃料供給システムを採用した内燃機関が広く使用されている。このような内燃機関では、始動前にヒータで燃料を加熱することで、燃料の気化を補助する構成が開示されている。
【０００３】
吸気ポートの内壁に沿って形成された２重管内側の筒状部材が磁性体で形成され、この筒状部材の外周に誘導コイルを巻回させた構成が開示されている（特許文献１）。誘導コイルに高周波電流を通電して高周波磁界を発生させることによって、渦電流損によるジュール熱が発生して筒状部材によって形成される吸気ポート内壁が加熱され、広範囲な燃料の気化促進が可能となるとされている。
【０００４】
また、吸気ポート内のインジェクタの噴孔と吸気バルブとの途中に環状の加熱スリーブを吸気ポートと同軸上に配置し、加熱スリーブの外周に巻回されたコイルへ交流電圧を印加する構成が開示されている（特許文献２）。コイルにより形成される磁界変化により加熱スリーブ中を誘導電流が流れ、そのときに発生するジュール熱により加熱スリーブの温度が上昇するとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−１４１２３号公報
【特許文献２】特開２００９−１７４３５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、自動車用内燃機関（エンジン）のシリンダヘッドは、アルミ合金製鋳物で製造されることがほとんどである。これは、アルミ合金が軽量で熱伝導性能が良いことから自動車用エンジンに向いていることと、シリンダヘッドが吸排気ポートと呼ばれる吸排気をおこなう配管や燃焼による熱を逃がす冷却水の水路等の複雑な構造を有しているために鋳造による製造が最も量産に適しているためである。量産においては、アルミ合金を鋳造によって素形形状を製作し、シリンダブロックやカムカバーとのシール部や吸排気バルブやカムシャフトを取り付け部などに機械加工を施して部品を装着して完成となる。
【０００７】
上記従来技術を含めて吸気ポート内に電気式ヒータを埋設する発明が数多く提案されている。しかしながら、提案を実現するための構造が提示されていないという問題がある。例えば、特許文献１の構成では、吸気ポートの内壁に沿って筒状部材を設けるとしているが、筒状部材をアルミ鋳造の際に鋳込むのであれば筒状部材に埋設された樹脂モールドやコイル（の絶縁被覆）が高熱に耐える必要がある。また、アルミの鋳造成型を行った後に筒状部材を組み込むのであれば、筒状部材又はシリンダヘッドを分割構造とするなどの工夫が必要となる。また、例えば、特許文献２の構成では、コイルとバルブシートを圧入して構成しているのでアルミ合金鋳造によってシリンダヘッドを成型した後に組み付けができるという利点がある。しかしながら、電気ヒータとバルブシート部材をそれぞれ別の部材として装着することから、各部品の加工とその部品が挿入される穴加工の双方の精度を高める必要がある。例えば、加熱スリーブとその収容孔及びバルブシートとその固定孔の加工精度の関係によって加熱スリーブとバルブシートの間（軸方向）に空隙ができ、この空隙が燃料の液溜まり箇所となり、本来の燃料の気化を促進する目的に対して空燃比の調整精度の悪化とそれによる排気ガス性能の悪化が懸念される。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の１つの態様は、内燃機関の吸気管内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記吸気管と燃焼室との間に設けられた吸気バルブと、前記吸気バルブが着座する円筒状のバルブシート部材と、前記燃料噴射弁へ燃料を供給する燃料ポンプと、前記吸気管における燃料供給経路中において燃料を加熱する加熱手段と、を備え、前記加熱手段は、前記吸気管の内壁面に沿った形状の電気ヒータを有し、前記電気ヒータは、端部に鍔状部を備え、前記電気ヒータが前記燃焼室側から前記吸気管に挿入された状態において前記バルブシート部材で前記鍔状部を押さえられて固定されていることを特徴とする内燃機関である。
【０００９】
ここで、前記電気ヒータは、前記吸気管に設けられた挿入穴の径を中心軸に沿って延長した円筒内に収まる形状を有することが好適である。
【００１０】
また、前記電気ヒータと前記吸気管の内壁面との間に間隙が設けられていることが好適である。また、前記間隙は、前記電気ヒータの前記鍔状部以外の部分に設けられていることが好適である。
【００１１】
また、前記吸気管の内壁に溝状の凹部が設けられており、前記凹部に前記電気ヒータが嵌め込まれていることが好適である。
【００１２】
また、前記バルブシート部材の内径と前記電気ヒータの内径とが等しく、前記バルブシート部材と前記電気ヒータの継ぎ目において内壁面の段差がないことが好適である。
【００１３】
また、前記電気ヒータと前記吸気管との間がシール部材によってシールされていることが好適である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、吸気ポートに対してヒータを確実に固定することができると共に、燃料をより効果的に加熱することができる加熱手段を備えた内燃機関を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態における内燃機関の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態における電気ヒータの構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態におけるバルブシート部材の構成を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態における電気ヒータ及びバルブシート部材の取り付け方法を説明する図である。
【図５】本発明の実施の形態における電気ヒータの取り付け方法を説明する図である。
【図６】本発明の実施の形態における電気ヒータ及びバルブシート部材を取り付けた構成を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態における電気ヒータ及びバルブシート部材の取り付け部分の拡大図である。
【図８】本発明の実施の形態における電気ヒータ及びバルブシート部材の取り付け部分の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施の形態における内燃機関１００は、図１に示すように、シリンダヘッド１０、吸気管１２、吸気バルブ１４、排気管１６、排気バルブ１８、燃料タンク２０、燃料ポンプ２２、コモンレール２４、調圧弁２６、燃料噴射弁２８、電気ヒータ３０及びバルブシート部材３２を含んで構成される。内燃機関１００は、エンジン等の内燃機関に対して燃料を供給するための構成を備える。
【００１７】
シリンダヘッド１０は、エンジンの燃焼室の一部を構成する部材である。シリンダヘッド１０には、燃料及び空気の混合気を燃焼室に供給するための吸気管１２及び吸気バルブ１４が設けられる。また、シリンダヘッド１０には、燃焼室で生じた排気ガスを外部へ排気するための排気管１６及び排気バルブ１８が設けられる。吸気バルブ１４及び排気バルブ１８は、適切なタイミングで開かれるようにカム等によって制御される。
【００１８】
燃料タンク２０、燃料ポンプ２２、コモンレール２４、調圧弁２６及び燃料噴射弁２８は、内燃機関１００における燃料供給手段を構成する。燃料タンク２０は、エンジンで燃焼させられる燃料を蓄える容器である。燃料ポンプ２２は、燃料タンク２０に蓄えられている燃料を加圧して供給するためのポンプである。燃料ポンプ２２によって加圧された燃料はコモンレール２４へ供給される。コモンレール２４は、レールと呼ばれる加圧された燃料を蓄えておく容器を備える。コモンレール２４を設けることによって、エンジンの回転数や負荷等の運転条件に関係なく噴射圧力を調整して噴射できる。燃料噴射弁２８は、コモンレール２４に蓄積されている燃料を吸気管１２内に噴射させる弁である。燃料噴射弁２８の開閉タイミングは、吸気バルブ１４及び排気バルブ１８の開閉タイミングに合わせて制御される。
【００１９】
調圧弁２６の開度を調節することによって、コモンレール２４内の燃料の圧力が調整される。調圧弁２６は、コモンレール２４内の燃料の圧力が所定の圧力（燃料噴射圧力：一般的には０．３ＭＰａ程度）を超えると開弁され、コモンレール２４内の圧力が所定の圧力に調圧される。このとき、燃料ポンプ２２を作動させたままにした場合、所定の圧力を超えてコモンレール２４から流出した燃料は燃料タンク２０に戻され、燃料は循環することになる。燃料ポンプ２２には、エンジンの最高出力時においても燃料噴射圧力が低下しない程度の余裕を持った出力容量（吐出能力）とする。すなわち、エンジンがより低出力の状態においてより多くの燃料が循環される。
【００２０】
本実施の形態における内燃機関１００は、さらに電気ヒータ３０及びバルブシート部材３２を備える。電気ヒータ３０は、吸気管１２内に噴射された燃料を加熱する加熱手段として機能する。
【００２１】
電気ヒータ３０は、図２に示すように、シェル３０ａ、鍔状部３０ｂ、絶縁膜３０ｃ、ヒータ部３０ｄ、電極３０ｅ及びリード線３０ｆを含んで構成される。図２（ａ）は、電気ヒータ３０の上面図、図２（ｃ）は電気ヒータ３０の底面図、及び、図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるラインＡ−Ａに沿った断面図を示す。
【００２２】
シェル３０ａは、電気ヒータ３０の機械的に構造を支持する部材である。シェル３０ａは、電気ヒータ３０が設置される吸気管１２の燃焼室側の端部の内壁面に沿った形状とする。シェル３０ａは、例えば、アルミニウム合金、ステンレス、銅合金等の金属で構成することが好適である。シェル３０ａは、削り出し加工、プレス加工（絞り加工）、精密鋳造、金属３Ｄプリント加工等により形成することができる。シェル３０ａは、肉厚０．５ｍｍ〜１ｍｍ程度の厚さとすることが好適である。
【００２３】
シェル３０ａには、その一方の端部に鍔状部３０ｂが設けられる。鍔状部３０ｂは、電気ヒータ３０を吸気管１２に設置した状態における燃焼室側の端部に設けられる。鍔状部３０ｂは、バルブシート部材３２によって電気ヒータ３０を吸気管１２の内壁面に取り付けるために使用される。鍔状部３０ｂは、内径ｄ１及び外径ｄ２となるように構成される。
【００２４】
絶縁膜３０ｃは、シェル３０ａの内壁面に設けられる。絶縁膜３０ｃは、ヒータ部３０ｄとシェル３０ａとを電気的に絶縁するために設けられる。電気ヒータ３０は、燃料を１００℃以上に加熱する場合があるので、絶縁膜３０ｃは１００℃以上の耐熱性を有することが好適であり、１２０℃以上の耐熱性を有することがより好適である。例えば、シェル３０ａがアルミニウムを含む場合は絶縁膜３０ｃの塗装をアルマイト加工としてもよい。
【００２５】
なお、シェル３０ａの内表面の一部に絶縁膜３０ｃを設けない領域を設け、ヒータ部３０ｄの接地領域としてもよい。すなわち、シェル３０ａの内壁面における接地領域にマスキングを施した上で絶縁膜３０ｃを塗装等で形成することで金属面が露出した接地領域を設ける等の処理を施せばよい。
【００２６】
ヒータ部３０ｄは、シェル３０ａの内壁面に沿って設けられる。ヒータ部３０ｄは、例えば、塗料状のシート抵抗型の電気ヒータとすることが好適である。例えば、カーボンファイバの小片をアクリル樹脂系の溶液に懸濁させ、当該溶液をシェル３０ａ又は絶縁膜３０ｃの表面に塗布した後、乾燥・硬化させることによってヒータ部３０ｄを形成することができる。
【００２７】
また、ヒータ部３０ｄは、吸気管１２を通過する燃料が適切に加熱される程度の出力容量とすることが好適である。車載のバッテリーは１２Ｖ，２４Ｖ，４８Ｖの出力電圧の場合が多いので、当該出力電圧に応じて適切な出力容量が得られるように形成することが好適である。一般的な内燃機関１００では、２００Ｗ程度の出力容量とすることが好適である。ヒータ部３０ｄの出力容量は、ヒータ部３０ｄの厚さ、形状等を調整することで適切に設定することができる。
【００２８】
電極３０ｅは、ヒータ部３０ｄからリード線３０ｆを引き出す電極として設けられる。本実施の形態では、電極３０ｅは、絶縁膜３０ｃとヒータ部３０ｄとの間に挟み込まれるように設けられる。絶縁膜３０ｃを形成後、ヒータ部３０ｄを形成する前に電極３０ｅを所望の位置に形成し、その後、電極３０ｅに電気的に接触するようにヒータ部３０ｄを形成する。電極３０ｅは、テープ状の銅箔等を貼付したり、銀ペーストを塗布したりすることで形成することができる。リード線３０ｆは、電極３０ｅに接続される。
【００２９】
なお、図２に示すように、電極３０ｅから絶縁膜３０ｃを形成していない領域に亘って連続的にヒータ部３０ｄを形成することで、リード線３０ｆに電圧を印加することでヒータ部３０ｄに電力を供給して加熱することができる。電気ヒータ３０を効率的に加熱させるためには、電極３０ｅと接地点Ｃとの距離ができるだけ離れるような構成とすることが好適である。本実施の形態では、電極３０ｅは燃焼室側から一番離れた位置に配置し、接地点Ｃは燃焼室側の端部に配置した構成としている。このような構成とすることによって、ヒータ部３０ｄを効果的に加熱させることができる。
【００３０】
バルブシート部材３２は、内燃機関１００において吸気バルブ１４が着座するシート面を構成する。図３（ａ）〜図３（ｃ）は、それぞれバルブシート部材３２の上面図、断面図及び底面図を示す。図３（ｂ）は、図３（ａ）のラインＢ−Ｂに沿った断面図を示す。バルブシート部材３２は、一方の端部に吸気バルブ１４が着座するシート部３２ａが設けられる。
【００３１】
以下、内燃機関１００への電気ヒータ３０及びバルブシート部材３２の設置方法について説明する。電気ヒータ３０及びバルブシート部材３２は、図４に示すように、吸気管１２の燃焼室側の端部に取り付けられる。まず、吸気管１２の内壁面に沿うように電気ヒータ３０が吸気管１２内に挿入され、その後、バルブシート部材３２が電気ヒータ３０よりも吸気管１２の端部側に挿入されて圧入固定される。
【００３２】
ここで、図５に示すように、電気ヒータ３０の筒状部分（鍔状部３０ｂ以外の部分）の外径は、吸気管１２に設けられた挿入穴の径を中心軸に沿って延長した円筒内に収まるように構成する。これによって、電気ヒータ３０を燃焼室側より吸気管１２の中心軸（バルブステムガイドの軸）に沿って挿入することができる。電気ヒータ３０を吸気管１２内に挿入した後、バルブシート部材３２を圧入する。これによって、図６に示すように、バルブシート部材３２の上面と圧入穴に設けられた段差面との間に電気ヒータ３０の鍔状部３０ｂが挟み込まれ、バルブシート部材３２の圧入による摩擦力で電気ヒータ３０がバルブシート部材３２と共に固定される。
【００３３】
電気ヒータ３０の鍔状部３０ｂの外径ｄ２は、バルブシート部材３２の内径Ｄ１より大きく、バルブシート部材３２の外径Ｄ２以下とする。これにより、バルブシート部材３２によって電気ヒータ３０を確実に固定することができる。
【００３４】
なお、図７の拡大図に示すように、電気ヒータ３０の外周面と吸気管１２の内壁面との間にはクリアランスＧを設けることが好適である。クリアランスＧは、０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下とすることが好適である。クリアランスＧを設けることによって、電気ヒータ３０の熱がシリンダヘッド１０へ逃げ難くなり、より効率的に電気ヒータ３０からの熱を燃料へ伝達させることができる。クリアランスＧを設けることによって、設けない場合に比べて伝熱面積を１／１０以下とすることが可能となる。すなわち、電気ヒータ３０からシリンダヘッド１０へ逃げる熱量を１／１０以下とすることが可能となり、電気ヒータ３０の昇温速度を向上させることができ、電力消費を低減させることができる。
【００３５】
また、図７の継ぎ目領域Ｅに示すように、電気ヒータ３０と吸気管１２の内壁面との間に段差が生じないような構造とすることが好適である。具体的には、吸気管１２の内壁面に電気ヒータ３０を嵌め込むための溝状の凹部を設ける。当該凹部は、電気ヒータ３０を設置した状態で継ぎ目領域Ｅにおいて電気ヒータ３０の内壁面が吸気管１２の内壁面に対して連続的に繋がるように電気ヒータ３０の形状に合わせて形成することが好適である。
【００３６】
このように、電気ヒータ３０と吸気管１２との継ぎ目領域Ｅにおいて段差をつくらないような構造とすることで、電気ヒータ３０を設けることによる吸気気流への影響（渦の発生，流入抵抗の増加）を抑制することができる。
【００３７】
また、図７の継ぎ目領域Ｆに示すように、電気ヒータ３０とバルブシート部材３２の内壁面との間に段差が生じないような構造とすることが好適である。すなわち、電気ヒータ３０の鍔状部３０ｂの内径ｄ１は、バルブシート部材３２の内径Ｄ１と略等しくすることが好適である。
【００３８】
また、図８に示すように、継ぎ目領域Ｅにおいて電気ヒータ３０の軸長方向の端部と吸気管１２の内壁面との間にシール部材３４を設けてもよい。シール部材３４は、特に限定されるものではないが、電気ヒータ３０の端部をゴムコーティングしたり、ゴム材料等からなるガスケットを挟み込む構造としたりしてもよい。また、電気ヒータ３０の端部自体を樹脂等の柔軟性のある材料で形成するようにしてもよい。
【００３９】
このように、継ぎ目領域Ｅをシールすることによって、吸気管１２から供給される燃料が継ぎ目領域Ｅから電気ヒータ３０の背面に回り込むことを防ぐことができる。電気ヒータ３０の背面に燃料が溜まると、エンジンの運転中に溜まった燃料が蒸発して混合気濃度調整に悪影響を与えるおそれがあるが、本実施の形態の内燃機関１００によればそれを抑制することができる。
【００４０】
バルブシート部材３２において吸気バルブ１４が着座するシート面は、電気ヒータ３０及びバルブシート部材３２を装着後に追加工（バルブステムガイドと同軸加工にて）される。具体的には、バルブシート部材３２を嵌め込んだ状態において、バルブシート部材３２の端部を所望の形状に加工する。
【００４１】
なお、シリンダヘッド１０には、電気ヒータ３０のリード線３０ｆを外部に取り出すための穴を設けることが好適である。電気ヒータ３０を取り付ける際にリード線３０ｆが噛み込まれないように当該穴に通しながら電気ヒータ３０を圧入する。これによって、リード線３０ｆをシリンダヘッド１０の外部へ引き出すことができる。
【００４２】
以上のように、電気ヒータ３０がバルブシート部材３２の圧入によって固定されるため、電気ヒータ３０の固定に関わるシリンダヘッド１０の設計変更が不要となる。また、電気ヒータ３０が故障した場合であってもバルブシート部材３２を抜き取ることで電気ヒータ３０を交換することが可能になる。
【００４３】
また、電気ヒータ３０を単体で製作した後にシリンダヘッド１０に組み付けることが可能である。したがって、電気ヒータ３０の内面への絶縁膜３０ｃの塗装、ヒータ部３０ｄの形成、電極３０ｅやリード線３０ｆ形成等の加工や細工が容易となる。
【００４４】
電気ヒータ３０とシリンダヘッド１０との接触による伝熱経路を少なくすることができるので、電気ヒータ３０からシリンダヘッド１０へ逃げる熱を極少化できる。したがって、電気ヒータ３０の昇温に必要となる電力及び昇温に必要な時間を減少させることができる。
【００４５】
以上のように、本実施の形態によれば、従来のエンジンの構造や製造工程を大きく変更させることなく、燃料をより効果的に加熱することができる加熱手段を備えた内燃機関１００を安価に実現することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１０  シリンダヘッド、１２  吸気管、１４  吸気バルブ、１６  排気管、１８  排気バルブ、２０  燃料タンク、２２  燃料ポンプ、２４  コモンレール、２６  調圧弁、２８  燃料噴射弁、３０  電気ヒータ、３０ａ  シェル、３０ｂ  鍔状部、３０ｃ  絶縁膜、３０ｄ  ヒータ部、３０ｅ  電極、３０ｆ  リード線、３２  バルブシート部材、３２ａ  シート部、３４  シール部材、１００  内燃機関。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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