(57)【要約】      （修正有）【課題】触媒の早期暖機による排気ガスの質の向上と燃費の向上とを両立し得る内燃機関を提供する。【解決手段】内燃機関は、シリンダヘッドＳＨ内に冷却水を導入する主冷却水通路から分岐し、当該シリンダヘッドＳＨ内における集合ポート近傍に冷却水を通過させ得る集合ポート用冷却水通路Ｗ２と、主冷却水通路及び集合ポート用冷却水通路Ｗ２との分岐箇所、又は集合ポート用冷却水通路Ｗ２に設けられる弁機構Ｘとを具備する。弁機構Ｘは、本実施形態では電磁弁を主体としてなるものであり、冷却水を通過させ得る開状態と、冷却水の通過を禁止し得る閉状態とをとり得る。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の排気ポートがシリンダヘッド内で合流する集合ポートを備えたシリンダヘッドを有する内燃機関であって、
前記シリンダヘッド内に冷却水を導入する主冷却水通路から分岐し当該シリンダヘッド内における前記集合ポート近傍に冷却水を通過させ得る集合ポート用冷却水通路と、
前記主冷却水通路及び前記集合ポート用冷却水通路との分岐箇所又は前記集合ポート用冷却水通路に設けられ、前記集合ポート近傍の冷却水温が所定温度を超えた場合は前記集合ポート用冷却水通路内の冷却水の通過を許容するとともに冷却水温が所定温度未満の場合は前記集合ポート用冷却水通路内の冷却水の通過を禁止する弁機構とを具備す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、排気マニホルドが一体に形成されたシリンダヘッドを具備する内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車に搭載される多気筒エンジンたる内燃機関を構成するシリンダヘッドにおいて、燃焼空間からの排気が流入する個別ポートと所定数の個別ポートからの排気ガスが集合する集合ポートとにより構成される集合型排気ポートが形成されたものが開示されている。このような構成のものは一般に当該シリンダヘッドと排気浄化用の触媒との距離を短く設定することで、触媒が活性化される温度に至るまでの暖機時間を早くすることで排気の性能が向上することが知られている。また、集合ポートの上方及び下方に冷却水が流れる水ジャケットを配することで、高温となる排気を速やかに冷却しようとした構成も提案されている(例えば、特許文献１及び特許文献２参照)。
【０００３】
しかしながら、触媒とシリンダヘッドとの距離を短くすると、触媒の温度が過度に向上してしまうという不具合を招来する可能性が懸念される。
【０００４】
また上記特許文献に記載のもののように排気ポートの集合部に冷却水を流して排気ガスを冷却するようにすると、冷間始動時での触媒の活性に時間が掛かり排気性能が悪化してしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１８７１１０号公報
【特許文献２】特開２００９−２２６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような不具合に着目したものであり、触媒の早期暖機による排気ガスの質の向上と燃費の向上とを両立し得る内燃機関を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、このような目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。
【０００８】
すなわち本発明に係る内燃機関は、複数の排気ポートがシリンダヘッド内で合流する集合ポートを備えたシリンダヘッドを有する内燃機関であって、前記シリンダヘッド内に冷却水を導入する主冷却水通路から分岐し当該シリンダヘッド内における前記集合ポート近傍に冷却水を通過させ得る集合ポート用冷却水通路と、前記主冷却水通路及び前記集合ポート用冷却水通路との分岐箇所又は前記集合ポート用冷却水通路に設けられ、前記集合ポート近傍の冷却水温が所定温度を超えた場合は前記集合ポート用冷却水通路内の冷却水の通過を許容するとともに冷却水温が所定温度未満の場合は前記集合ポート用冷却水通路内の冷却水の通過を禁止する弁機構とを具備することを特徴とする。
【０００９】
ここで集合ポート用冷却水通路は主冷却水通路から分岐した後再び主冷却水通路に合流する態様に限られない。つまり弁機構により冷却水が集合ポート近傍を通過し得るものであれば、集合ポート用冷却水通路は主冷却水通路とは別にシリンダブロック等の他の冷却水通路に連通するものであっても良い。また「前記集合ポート近傍の冷却水温が所定温度を超えた場合」とは、実際に集合ポート近傍の冷却水温を直接計測した場合のみならず、別の箇所に設けられたセンサの温度及び所謂エンジン負荷からの予測により、所定温度を超えたと判断される場合をも含む概念である。
【００１０】
このようなものであれば、シリンダヘッド内に設けた集合ポート用冷却水通路の冷却水温によって冷却水の流れを可変にすることで、冷間始動時は触媒の早期暖機を行い、暖気後は集合ポート近傍を冷却することで触媒の加熱を防止することができる。これにより、触媒の早期暖機による排気ガスの質の向上と燃費の向上とを両立し得る内燃機関を提供することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、触媒の早期暖機による排気ガスの質の向上と燃費の向上とを両立し得る内燃機関を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る概略構成図。
【図２】同他の概略構成図。
【図３】同実施形態に係る要部の模式的な平断面図。
【図４】図３に係るＡ−Ａ線端面図。
【図５】同実施形態に係るフローチャート。
【図６】同実施形態の変形例を図４に対応させて示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１４】
図１に、本実施形態における車両用内燃機関１００の概要を示す。内燃機関１００は、例えば火花点火式ガソリンエンジンであり、複数の、例えば三つの気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート１３近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。点火プラグ１２は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。
【００１５】
吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポート１３へと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。
【００１６】
排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポート１４から外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の触媒である三元触媒４１を配置している。また本実施形態において前記排気ポート１４の構成については後に詳述する。
【００１７】
図２に、内燃機関１００を通る冷却水の流路について説明する。
すなわち内燃機関１００は、シリンダブロックＳＢとシリンダヘッドＳＨとの内部に設けられて冷却水が循環するウォータジャケットＷを備えている。他方内燃機関１００の外側において冷却水の水温を下げるための放熱手段が設けられている。斯かる放熱手段として、ウォータジャケットＷと図示しない車両の運転席側に配置された暖房用のヒータＨ、及びラジエタＲが配されている。
【００１８】
そして内燃機関１００は冷却水を循環させるための電動ポンプと、ラジエタＲとのウォータジャケットＷとラジエタＲとの間に介在するサーモスタットＳＭとを備えている。このサーモスタットＳＭは冷却水温が例えば８４℃よりも低い場合はラジエタＲへの冷却水の流れを禁止するとともに冷却水が８４℃以上で冷却水の流れを許容することにより、ラジエタＲによる冷却水の冷却を許容する。また本実施形態では、上記放熱手段たるヒータＨ又はラジエタＲから内燃機関１００に導入される冷却水が、最も温度上昇が著しいとされるシリンダヘッドＳＨにおける燃焼室上部近傍の箇所から導入される、所謂先行冷却の態様を適用している。なお内燃機関１００は冷却水温を検出するための図示しない水温センサを備えている。水温センサは通常、冷却水がシリンダヘッドＳＨからラジエタＲに送り出される箇所の近傍に備えられている。なおラジエタＲは走行風により冷却される他、図示しないラジエタファンによる送風によっても冷却される。
【００１９】
しかして本実施形態に係る内燃機関１００は、前記シリンダヘッドＳＨ内に冷却水を導入する主冷却水通路Ｗ１から分岐し当該シリンダヘッドＳＨ内における前記集合ポート１５近傍に冷却水を通過させ得る集合ポート用冷却水通路Ｗ２と、前記主冷却水通路Ｗ１及び前記集合ポート用冷却水通路Ｗ２との分岐箇所又は前記集合ポート用冷却水通路Ｗ２に設けられる弁機構Ｘとを具備する。弁機構Ｘは、本実施形態では電磁弁を主体としてなるものであり、冷却水を通過させ得る開状態と、冷却水の通過を禁止し得る閉状態とをとり得る。このような弁機構Ｘの具体的な構成は既存の電磁弁の構成を種々適用し得るため、詳細な説明を省略する。
【００２０】
図３及び図４は、前記集合ポート１５並びに集合ポート用冷却水通路Ｗ２が配されたシリンダヘッドＳＨの要部を示している。
【００２１】
シリンダヘッドＳＨは、同図に示すように、長手方向に３つ直線状に配列された気筒１の上部を構成するものであり、一の気筒１あたり吸気側、排気側にそれぞれ２つずつ吸気バルブ、排気バルブが配置できる構成をなすとともに平面視気筒１の略中央には点火プラグ１２を設置するためのプラグ取付部１６を形成している。またシリンダヘッドＳＨは、吸気側に気筒１毎に分岐して設けられた吸気ポート１３と、排気側に一体に設けられた排気マニホルド４２とを有している。排気マニホルド４２は、気筒１毎に設けられた排気ポート１４と、この排気ポート１４がシリンダヘッドＳＨ端部近傍にて一つに集合することにより形成された集合ポート１５とを有している。そしてこの集合ポート１５の内面側には、例えば上下方向から隆起するポート側フィン１５ａが設けられている。
【００２２】
一方、同図に示される集合ポート用冷却水通路Ｗ２は、図４に示すように集合ポート１５の上下を冷却水が流れるように配置されており、前記ポート側フィン１５ａに対応する箇所にはそれぞれジャケット側フィンＷ２ａを隆起させて設けている。なお同図では図示を省略するが、主冷却水通路Ｗ１は従来同様、燃焼室上部近傍に配されている。
【００２３】
本実施形態の内燃機関１００はＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）０により制御される。このＥＣＵ０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。
【００２４】
入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及び回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号（Ｎ信号）ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｄ、機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｅ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号（Ｇ信号）ｆ、が入力される。
【００２５】
出力インタフェースからは、弁機構Ｘを開状態又は閉状態とするための開閉制御信号ｈ、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ等を出力する。
【００２６】
ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関１００の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関１００の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆを入力インタフェースを介して取得し、回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それら回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、そして弁機構Ｘの開閉といった各種パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能である。ＥＣＵ０は、各種制御信号ｈ、ｉ、ｊ、ｋを出力インタフェースを介して印加する。
【００２７】
ここで、本実施形態では弁機構ＸがＥＣＵ０により、前記集合ポート１５近傍の冷却水温が所定温度を超えた場合は前記集合ポート用冷却水通路Ｗ２内の冷却水の通過を許容するとともに冷却水温が所定温度未満の場合は前記集合ポート用冷却水通路Ｗ２内の冷却水の通過を禁止するように制御される。
【００２８】
以下、図５のフローチャートを参照しつつ、本実施形態に係る弁機構Ｘの制御について説明する。ここで、当該フローチャートに係る制御は、アイドル運転時や燃料カット中には適用しないものとする。すなわち、当該アイドル運転時や燃料カット時は三元触媒４１の温度の低下を回避するために、排気温度を維持しておく必要がある。よって集合ポート１５近傍の冷却水温が高いと推定されても、アイドル運転時や燃料カット時においては弁機構Ｘは閉状態とする。
【００２９】
まず、アイドル運転時又は燃料カット時を除く運転中において冷却水温が検出されると（ステップＳ１）、当該冷却水温及び内燃機関の状態、特にエンジン負荷から、集合ポート１５近傍における集合ポート用冷却水通路Ｗ２での冷却水温の推定値である推定冷却水温を算出する（ステップＳ２）。そして当該推定冷却水温が、予め定められた所定温度よりも低いか或いは所定温度以上であるか（ステップＳ３）を判定する。ここで「運転状態」とは、内燃機関１００の運転制御に必要な上記各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆを基に判断される。また「所定温度」とは、冷却水の沸点よりも若干低い温度に設定している。冷却水は通常の水（純水）に種々の添加物を溶解させているため、その沸点は例えば１１０℃程度と、通常の水よりも高い特性を示す。よって所定温度とは、１００℃を超える温度であっても良い。
【００３０】
そして前記ステップＳ３において推定冷却水温が所定温度以上であり、且つ、弁機構Ｘが閉状態となっている場合（ステップＳ４）は、弁機構Ｘを開状態とし（ステップＳ５）、集合ポート用冷却水通路Ｗ２内の冷却水が流れるようにして、他の冷却水同様、内燃機関１００内から放熱手段に亘って循環し得るようにする。ここで本実施形態では、推定冷却水温が高い程、弁機構Ｘの開度を大きく設定することにより、より速やかに集合ポートを冷却し得るようにしている。また弁機構Ｘが開状態となっている場合は、そのまま処理を終了する。この場合は、弁機構Ｘの操作以外の手法にて内燃機関１００をより冷却する方策が採られることが望ましい。
【００３１】
他方前記ステップＳ３において推定冷却水温が所定温度よりも低い温であり、且つ、弁機構Ｘが開状態となっている場合（ステップＳ６）は、弁機構Ｘを閉状態とし（ステップＳ７）する。また弁機構Ｘが閉状態となっている場合は、そのまま処理を終了する。この場合、集合ポート１５及び三元触媒４１の暖機が促される。
【００３２】
以上のような構成とすることにより、本実施形態に係る内燃機関１００は、シリンダヘッドＳＨ内に設けた集合ポート用冷却水通路Ｗ２の冷却水温によって冷却水の流れを可変にすることで、冷間始動時は三元触媒４１の早期暖機を行い、暖気後は集合ポート１５近傍を冷却することで三元触媒４１の加熱を防止することができる。その結果、三元触媒４１の早期暖機による排気ガスの質の向上と燃費の向上とを両立し得る内燃機関１００を提供を実現している。
【００３３】
また本実施形態によれば弁機構Ｘが閉状態であったとしても集合ポート１５近傍の冷却水温が沸騰する前に弁機構Ｘが開状態となるので、集合ポート近傍での冷却水の突然の沸騰による衝撃は未然に回避される。加えて本実施形態では従来のものと比べて三元触媒４１の温度を低下させるために行われてきた燃料増量といった措置を採る機会を有効に減少させることで、燃費の向上にも資する。
【００３４】
特に本実施形態では、集合ポート１５側にはポート側フィン１５ａを設けて集合ポート内面の表面積を増大させている。また集合ポート用冷却水通路Ｗ２側にはジャケット側フィンＷ２ａを設けて集合ポート用冷却水通路Ｗ２内面の表面積を増大させている。このようにすることで、集合ポート１５と集合ポート用冷却水通路との互いの熱交換を促し、より速やかな集合ポート１５近傍の温度制御を可能なものとしている。
【００３５】
＜変形例＞
以下、本実施形態の変形例について説明する。なお当該変形例において、上記実施形態における構成要素に相当するものについては同じ符号を付すとともに、その詳細な説明を省略する。
【００３６】
図６は、弁機構Ｘが電磁式の場合、集合ポート用冷却水通路Ｗ２内の冷却水温度を直接検出する冷却水温検出手段Ｓを設けた態様を示している。すなわち、集合ポート１５近傍の冷却水温は、既存の水温センサの値や運転状況から推定する態様に限定されるものではない。加えて同図に示す様に冷却水温検出手段Ｓは冷却水温が最も高くなる位置に設けている。これにより、集合ポート１５近傍の冷却水温をより正確に把握し得るとともに、冷却水の局所的な沸騰を有効に回避し得る。
【００３７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【００３８】
例えば、上記実施形態では集合ポート用冷却水路は集合ポートの上下に２経路設けた態様を示したが勿論、上下何れかに設けたものであっても、集合ポートを囲うように設けたものであってもよい。また上記実施形態及び変形例では弁機構を電磁弁としたが勿論、冷却水温の如何により自ずと開閉するサーモスタットを適用しても良い。斯かるサーモスタットを用いる場合、サーモスタットを配置する箇所は上記変形例の如く、集合ポート近傍において冷却水温が元雄も高くなる位置に設けることが好ましい。これにより、ＥＣＵによる制御を伴わなくとも弁機構の制御が実現できる。
【００３９】
その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は排気マニホルドを一体に形成したシリンダヘッドを具備する内燃機関として利用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１００…内燃機関
１４…排気ポート
１５…集合ポート
ＳＨ…シリンダヘッド
Ｗ１…主冷却水通路
Ｗ２集合ポート用冷却水通路
Ｘ…弁機構
【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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