(57)【要約】【課題】内燃機関の始動に移行するときに、エネルギ消費を抑制しつつ、内燃機関から排出される排気ガス中の未然燃料の量を抑制する。【解決手段】内燃機関及び電動モータの少なくとも一方を駆動源として走行するハイブリッド車両の内燃機関システムであって、内燃機関は、吸気ポートから燃料を燃焼室へ供給し、燃料を燃焼させることによって動力を出力し、熱交換部において電気駆動系の排熱によって暖められた熱媒体が、内燃機関のシリンダヘッドに供給され、シリンダヘッドは、シリンダヘッドの外壁面を含むヘッド本体と、熱媒体路と、伝熱抑制部とを含む。熱媒体路は、吸気ポートの周辺に設けられた二重管形状の吸気側流路部を有し、熱交換部から熱媒体が供給される。伝熱抑制部は、熱媒体路とヘッド本体との間での伝熱を抑制し、吸気側外壁の少なくとも一部は、ヘッド本体に対し伝熱抑制部を介して配置される。【選択図】図１
2019100327.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関及び電動モータが搭載され、前記内燃機関及び前記電動モータの少なくとも一方を駆動源として走行するハイブリッド車両の内燃機関システムであって、
前記内燃機関は、吸気ポートから燃料を燃焼室へ供給し、燃料を燃焼させることによって動力を出力し、
熱交換部において前記電動モータを含む電気駆動系の排熱によって暖められた熱媒体が、前記内燃機関のシリンダヘッドに供給され、
前記シリンダヘッドは、前記シリンダヘッドの外壁面を含むヘッド本体と、前記吸気ポートと、熱媒体路と、伝熱抑制部とを備え、
前記熱媒体路は、前記吸気ポートの周辺に前記吸気ポートを取り囲むように設けられ、内側に前記吸気ポートの壁面を有する管状の吸気側内壁の外側に管状の吸気側外壁が配置されることにより形成された二重管形状の吸気側流路部を含み、前記熱交換部から熱媒体が供給され、
前記伝熱抑制部は、前記熱媒体路と前記ヘッド本体との間での伝熱を抑制し、
前記吸気側外壁の少なくとも一部は、前記ヘッド本体に対し前記伝熱抑制部を介して配置される、ハイブリッド車両の内燃機関システム。
【請求項２】
請求項１に記載のハイブリッド車両の内燃機関システムにおいて、
前記シリンダヘッドは、前記燃焼室から排気ガスを排出するための通路である排気ポートを備え、
前記熱媒体路は、前記排気ポートの周辺に前記排気ポートを取り囲むように設けられ、内側に前記排気ポートの壁面を有する管状の排気側内壁の外側に管状の排気側外壁が配置されることにより形成された二重管形状の排気側流路部を含み、前記熱交換部から熱媒体が供給され、
前記排気側外壁の少なくとも一部は、前記ヘッド本体に対し前記伝熱抑制部を介して配置される、ハイブリッド車両の内燃機関システム。
【請求項３】
請求項２に記載のハイブリッド車両の内燃機関システムにおいて、
前記熱媒体路は、前記燃焼室の壁面の外側に形成され前記吸気側流路部及び前記排気側流路部を接続する連結流路部を含み、
前記連結流路部は、前記燃焼室に面する連結内壁に対し前記燃焼室とは反対側に連結外壁が配置されることにより形成され、
前記連結外壁の少なくとも一部は、前記ヘッド本体に対し前記伝熱抑制部を介して配置される、ハイブリッド車両の内燃機関システム。
【請求項４】
請求項１に記載のハイブリッド車両の内燃機関システムにおいて、
前記熱媒体路は、排気ポートの外側には配置されない、ハイブリッド車両の内燃機関システム。
【請求項５】
請求項１に記載のハイブリッド車両の内燃機関システムにおいて、
前記吸気側流路部の流路幅が５ｍｍ以下である、ハイブリッド車両の内燃機関システム。
【請求項６】
請求項１に記載のハイブリッド車両の内燃機関システムにおいて、
前記吸気側外壁における前記伝熱抑制部との接触部の面積の割合が、前記吸気側外壁と前記伝熱抑制部との全面接触に対して１／５以下である、ハイブリッド車両の内燃機関システム。
【請求項７】
請求項１に記載のハイブリッド車両の内燃機関システムにおいて、
前記シリンダヘッドの外側に配置され、前記熱交換部において前記電気駆動系の排熱で昇温される熱媒体を流す外側熱媒体路を含み、
前記外側熱媒体路は、熱媒体を放熱させる放熱部と、前記放熱部を迂回するように前記放熱部の外側に配置されるバイパス部と、前記放熱部の入口側における前記バイパス部の接続部に配置され、熱媒体を前記放熱部及び前記バイパス部の一方に切り換えて流す切換弁とを含み、
さらに、熱媒体の温度を検出する温度センサと、
熱媒体の温度が所定温度より低い場合には熱媒体が前記バイパス部に流れるように前記切換弁を制御する制御部と、を備える、ハイブリッド車両の内燃機関システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関及び電動モータが搭載され、内燃機関及び電動モータの少なくとも一方を駆動源として走行するハイブリッド車両の内燃機関システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関及び電動モータが搭載され、内燃機関及び電動モータの少なくとも一方を駆動源として走行するハイブリッド車両が知られている。
【０００３】
一方、特許文献１には、内燃機関において、シリンダヘッド内に、隔壁を挟んで一方側に燃焼室を、他方側に断熱層をそれぞれ設けた構成が記載されている。この構成では、隔壁内に熱負荷が異なる領域を設けて、それぞれの領域に設けた冷却路の流量を、最も熱負荷が大きい領域にある冷却路よりも、最も熱負荷が小さい領域にある冷却路で冷媒流量を減少させる。これにより、燃焼室で生成される排気ガスの高温化を図れるとされている。
【０００４】
特許文献２には、内燃機関において、シリンダヘッド内に第１冷却水流路と第２冷却水流路との２系統の流路を設けると共に、２系統の流路の冷却水流量を熱負荷に応じて調整することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２０７９０８号公報
【特許文献２】特開平４−６０１５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ハイブリッド車両において、内燃機関から未燃焼の炭化水素化合物（ＨＣ）等の未然燃料が排出されることを抑制するために、ＥＶ走行時等の内燃機関の停止中に、内燃機関を予め暖めておくことが考えられる。このとき、電気ヒータを用いて内燃機関を加熱する構成では、電気ヒータによる消費電力が大きくなるので、エネルギ消費が増大するという問題があった。
【０００７】
一方、内燃機関の停止中に走行用の電動モータの排熱で水等の熱媒体を暖めて、その熱媒体を内燃機関に供給することで、内燃機関を暖めることが考えられる。しかしながら、特許文献２に記載された構成を含めて、従来構造のシリンダヘッド冷却構造では、シリンダヘッド内で、熱媒体の流路が燃焼室近傍に多く集中して設置される。これにより、熱媒体流路から、空気及び燃料が流れる吸気ポートのポート壁への伝熱量を十分に高くすることができない。熱媒体流路からポート壁への伝熱量が小さい場合には、ポート壁を十分に昇温させることができず、ポート壁に付着した燃料の気化が不十分となり、排気ガス中の未然燃料が増加する原因となる。
【０００８】
また、従来構造のシリンダヘッド冷却構造では、熱媒体の流路の外壁とシリンダヘッドの構造物との間で伝熱が抑制されない。これにより、熱媒体で加熱される部分の熱容量が大きくなって、熱媒体で吸気ポートのポート壁を加熱する場合に、このポート壁を効率よく迅速に昇温させることが困難である。特許文献１に記載された構成では、シリンダヘッドに断熱層を設けているが、吸気ポートのポート壁を効率よく迅速に昇温させる面から改良の余地がある。
【０００９】
一方、シリンダヘッド内で、熱媒体の流路を吸気ポートに近づけることが考えられる。しかしながら、吸気ポートの片側に熱媒体流路を近づけると共に、熱媒体流路の流路径を大きくして熱媒体の量を増加させても、吸気ポートの壁面の昇温に対する寄与度が小さい熱媒体の量が多くなる。このとき、熱媒体は、電動モータの排熱で昇温するので、熱媒体が過度に多くなると、熱媒体の昇温速度が低くなる。このため、吸気ポートのポート壁を効率よく迅速に昇温させることができない。
【００１０】
本発明のハイブリッド車両の内燃機関システムの目的は、内燃機関の始動に移行するときに、エネルギ消費を抑制しつつ、内燃機関から排出される排気ガス中の未然燃料の量を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の１つの態様は、内燃機関及び電動モータが搭載され、前記内燃機関及び前記電動モータの少なくとも一方を駆動源として走行するハイブリッド車両の内燃機関システムであって、前記内燃機関は、吸気ポートから燃料を燃焼室へ供給し、燃料を燃焼させることによって動力を出力し、熱交換部において前記電動モータを含む電気駆動系の排熱によって暖められた熱媒体が、前記内燃機関のシリンダヘッドに供給され、前記シリンダヘッドは、前記シリンダヘッドの外壁面を含むヘッド本体と、前記吸気ポートと、熱媒体路と、伝熱抑制部とを備え、前記熱媒体路は、前記吸気ポートの周辺に前記吸気ポートを取り囲むように設けられ、内側に前記吸気ポートの壁面を有する管状の吸気側内壁の外側に管状の吸気側外壁が配置されることにより形成された二重管形状の吸気側流路部を含み、前記熱交換部から熱媒体が供給され、前記伝熱抑制部は、前記熱媒体路と前記ヘッド本体との間での伝熱を抑制し、前記吸気側外壁の少なくとも一部は、前記ヘッド本体に対し前記伝熱抑制部を介して配置される、ハイブリッド車両の内燃機関システムである。
【００１２】
ここで、前記シリンダヘッドは、前記燃焼室から排気ガスを排出するための通路である排気ポートを備え、前記熱媒体路は、前記排気ポートの周辺に前記排気ポートを取り囲むように設けられ、内側に前記排気ポートの壁面を有する管状の排気側内壁の外側に管状の排気側外壁が配置されることにより形成された二重管形状の排気側流路部を含み、前記熱交換部から熱媒体が供給され、前記排気側外壁の少なくとも一部は、前記ヘッド本体に対し前記伝熱抑制部を介して配置されることが好適である。
【００１３】
また、前記熱媒体路は、前記燃焼室の壁面の外側に形成され前記吸気側流路部及び前記排気側流路部を接続する連結流路部を含み、前記連結流路部は、前記燃焼室に面する連結内壁に対し前記燃焼室とは反対側に連結外壁が配置されることにより形成され、前記連結外壁の少なくとも一部は、前記ヘッド本体に対し前記伝熱抑制部を介して配置されることが好適である。
【００１４】
また、前記熱媒体路は、排気ポートの外側には配置されないことが好適である。
【００１５】
また、前記吸気側流路部の流路幅が５ｍｍ以下であることが好適である。
【００１６】
また、前記吸気側外壁における前記伝熱抑制部との接触部の面積の割合が、前記吸気側外壁と前記伝熱抑制部との全面接触に対して１／５以下であることが好適である。
【００１７】
また、前記シリンダヘッドの外側に配置され、前記熱交換部において前記電気駆動系の排熱で昇温させる熱媒体を流す外側熱媒体路を含み、前記外側熱媒体路は、熱媒体を放熱される放熱部と、前記放熱部を迂回するように前記放熱部の外側に配置されるバイパス部と、前記放熱部の入口側における前記バイパス部の接続部に配置され、熱媒体を前記放熱部及び前記バイパス部の一方に切り換えて流す切換弁とを含み、さらに、熱媒体の温度を検出する温度センサと、熱媒体の温度が所定温度より低い場合には熱媒体が前記バイパス部に流れるように前記切換弁を制御する制御部と、を備えることが好適である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、内燃機関の始動に移行するときに、エネルギ消費を抑制しつつ、吸気ポートのポート壁を効率よく迅速に昇温させることができるので、内燃機関から排出される排気ガス中の未然燃料の量を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態におけるハイブリッド車両の内燃機関システムの構成を示す図である。
【図２】図１に示す内燃機関における吸気ポート、排気ポート、及び熱媒体路を示す斜視図である。
【図３】図２の斜視図を、Ａ−Ａ断面で切断した図である。
【図４】図２の斜視図を、Ｂ−Ｂ断面で切断した図である。
【図５】本発明の実施の形態の効果を確認するための計算において、電動モータから熱媒体に排熱される熱量を計算したときのＥＶ走行モードを示す図である。
【図６】比較例の内燃機関システムにおいて、ＥＶ走行中での時間についての熱媒体路における熱媒体の温度と、吸気ポート温度との計算結果の１例を示す図である。
【図７】比較例から二重管構造化、吸気ポート外壁の伝熱抑制、熱媒体路の幅の縮小、吸気ポート壁の厚さの低減、及びシステム内での熱媒体（ＬＬＣ）の削減が、吸気ポートの昇温時間に与える影響を示す図である。
【図８】熱媒体路の外壁とシリンダヘッドのヘッド本体との伝熱面積比を１／１から１／１００まで変化させたときの吸気ポートの昇温時間を短縮できる効果を示す図である。
【図９】吸気ポート及び排気ポートの外壁の厚みを小さくした場合と、吸気ポートの周囲にのみ熱媒体路を設けて吸気ポートの外壁の厚みを小さくした場合とにおいて、吸気ポートの昇温時間を短縮できる効果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。以下で説明する形状、材料、及び個数、数値は、説明のための例示であって、ハイブリッド車両の内燃機関システムの仕様等に応じて適宜変更することができる。以下では、すべての図面において同等の要素には同一の符号を付して説明する。
【００２１】
図１は、本発明の実施の形態におけるハイブリッド車両の内燃機関システム１０の構成を示す図である。内燃機関システム１０は、ハイブリッド車両に搭載される。ハイブリッド車両は、エンジン１４を含む内燃機関１２及び電動モータ１００が搭載され、内燃機関１２及び電動モータ１００の少なくとも一方を駆動源として走行する。例えば、エンジン１４の駆動を停止し、電動モータ１００の駆動力によって車両の車軸を駆動することで、車軸に連結された車輪を駆動する「ＥＶ走行」を行うことができる。また、エンジン１４と電動モータ１００との駆動力によって車軸を駆動することで車輪を駆動する「ＨＶ走行」を行うこともできる。
【００２２】
電動モータ１００は、バッテリ(図示せず)から電力が供給される。このとき、バッテリの満充電状態に対する充電率であるＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）が所定値以上であるか否かに応じて、ＥＶ走行とＨＶ走行とを切り換えることができる。具体的には、ＳＯＣが所定値以下であればＨＶ走行を行って、エンジン１４により駆動される発電機を発電させ、その発電機の発電電力をバッテリに供給してバッテリを充電させる。また、ＳＯＣが所定値を上回る場合には、エンジン１４を停止して電動モータ１００を駆動するＥＶ走行を行う。
【００２３】
電動モータ１００は、電動モータ及び発電機の両方の機能を持つモータジェネレータとすることもできる。このとき、車両の制動時にモータジェネレータが車輪側から駆動されることで発電し、その発電電力をバッテリに供給してバッテリを充電させることができる。
【００２４】
内燃機関システム１０は、内燃機関１２と、電動モータ１００と、温度センサ１０２と、制御部１０４とを備える。内燃機関１２は、エンジン１４、及び外側熱媒体路８０を含んで構成される。外側熱媒体路８０は、熱交換器８１、冷却器８２、バイパス部８３、切換弁８４、及び配管８５を有する。
【００２５】
外側熱媒体路８０は、エンジン１４の後述するシリンダヘッド１５の外側に配置され、熱交換器８１において、電動モータ１００を含む電気駆動系の排熱で昇温される熱媒体を流す流路である。外側熱媒体路８０には熱媒体ポンプ(例えば冷却水ポンプ)８６が設けられ、熱媒体ポンプ８６の駆動によって熱媒体が圧送され、外側熱媒体路８０からシリンダヘッド１５内の後述する熱媒体路２０に供給される。熱媒体路２０からは、外側熱媒体路８０のリターン経路８０ａに熱媒体が送られる。切換弁８４及び冷却器８２は、リターン経路８０ａに配置される。
【００２６】
熱交換器８１は、熱交換部に相当する。冷却器８２は、放熱部に相当する。熱交換器８１及び冷却器８２は、エンジン１４内の熱媒体路２０へ供給される熱媒体の温度を調整する。冷却器８２は、ラジエータやファン等を含んで構成され、熱媒体を放熱させて冷却するために用いられる。冷却器８２は、エンジン１４及び電動モータ１００の排熱を十分に処理可能な容量を有する。
【００２７】
熱交換器８１は、電動モータ１００を用いることによって発生した熱を熱媒体へ伝達して昇温するために用いられる。具体的には、熱交換器８１では、電動モータ１００を流れる熱媒体と、シリンダヘッド１５を流れる熱媒体とを熱交換させる。電動モータ１００を流れる熱媒体として、電動モータ１００内の潤滑と、冷却とを兼ねるオイルを用いることができる。シリンダヘッド１５を流れる熱媒体として、水、またはＬＬＣ(ロングライフクーラント)を用いることができる。配管８５は、熱交換器８１、熱媒体ポンプ８６、シリンダヘッド１５、切換弁８４、冷却器８２をそれぞれ接続する。バイパス部８３は、配管により形成できる。
【００２８】
エンジン１４は、ポート噴射式のガソリンエンジンであり、後述の吸気ポート１６から燃料を燃焼室４０に供給し、燃焼室４０内にて燃料を燃焼させることによって動力を出力する。なお、図１では、エンジン１４において発明の説明に必要な主要部のみを示している。
【００２９】
エンジン１４は、シリンダヘッド１５、吸気ポート１６、吸気バルブ１７、排気ポート１８、排気バルブ１９、ピストン４１、燃料噴射弁４２、及び点火プラグ(図示せず)を含んで構成される。
【００３０】
シリンダヘッド１５は、エンジン１４においてシリンダブロック４３と組み合わせて用いられ、シリンダブロック４３と共にエンジン１４の燃焼室４０の一部を構成する。シリンダヘッド１５には、吸気ポート１６及び排気ポート１８が連通して設けられる。吸気ポート１６は、エンジン１４の燃焼室４０に空気及び燃料を供給するための通路である。吸気ポート１６と燃焼室４０との間には吸気バルブ１７が設けられる。吸気バルブ１７は、燃焼室４０へ空気及び燃料を供給するタイミングで閉状態から開状態とされる。排気ポート１８は、燃焼室４０から排気ガスを排出するための通路である。排気ポート１８と燃焼室４０との間には排気バルブ１９が設けられる。排気バルブ１９は、燃焼室４０から排気ガスを排出するタイミングで閉状態から開状態とされる。ピストン４１は、燃焼室４０内での燃料の燃焼によって上下運動させられることで動力を得るための部材である。燃料噴射弁４２は、噴孔から燃料を噴射させるための弁を備え、所望のタイミングで吸気ポート１６内に燃料を噴射させる。後述の図２、図３に示すように、吸気ポート１６及び排気ポート１８は、それぞれ２つずつ設けられる。また、点火プラグは、燃焼室４０に火花を形成するもので、この火花により燃焼室４０内で燃料が燃焼される。点火プラグは、後述の図２から図４に示す筒状の点火プラグ支持部４７の内側に配置される。
【００３１】
エンジン１４は、さらに熱媒体路２０と伝熱抑制部３８とを備える。具体的には、シリンダヘッド１５は、ヘッド本体１５ａと、熱媒体路２０と、伝熱抑制部３８とを備える。ヘッド本体１５ａは、シリンダヘッド１５の上側、下側、横側の外壁面を含んで構成され、厚みがほぼ均等な複数の薄板部からなる略箱状である。ヘッド本体１５ａの横側の外壁面を含む薄板部には、２つの吸気ポート１６の壁部である後述の吸気側内壁２２の一端が接続され、各吸気ポート１６の入口がこの外壁面に開口する。ヘッド本体１５ａにおいて、吸気ポート１６とは反対側の横側の外壁面を含む薄板部には、２つの排気ポート１８の壁部である後述の排気側内壁２５の一端が接続され、各排気ポート１８の出口がこの外壁面に開口する。各吸気ポート１６の出口及び各排気ポート１８の入口は、ヘッド本体１５ａの燃焼室側である下側の外壁面に開口する。ヘッド本体１５ａは、構造材料として軽量で熱伝導係数が比較的高く、かつ、鋳造成型がしやすい合金、例えばアルミニウム合金等の金属により形成される。
【００３２】
シリンダヘッド１５の上側にはカムカバー４５が取り付けられる。カムカバー４５には、複数のカムシャフト４６が支持され、複数のカムシャフト４６の回転に伴って吸気バルブ１７及び排気バルブ１９が、往復運動する。
【００３３】
熱媒体路２０は、熱媒体の流路である。熱媒体路２０は、２つの吸気側流路部２１と、２つの排気側流路部２４と、連結流路部２７とを含む。
【００３４】
図２は、吸気ポート１６、排気ポート１８、及び熱媒体路２０を示す斜視図である。図３は、図２の斜視図を、Ａ−Ａ断面で切断した図である。図４は、図２の斜視図を、Ｂ−Ｂ断面で切断した図である。
【００３５】
２つの吸気側流路部２１のそれぞれは、吸気ポート１６の周辺に、吸気ポート１６を取り囲むように設けられた二重管形状である。具体的には、各吸気側流路部２１は、内側に吸気ポート１６の壁面を有する管状の吸気側内壁２２の外側に、管状の吸気側外壁２３が配置されることにより形成された二重管形状である。図２、図３で示すように、２つの吸気側流路部２１は長手方向に沿って対向する部分で接続されていてもよい。
【００３６】
２つの排気側流路部２４のそれぞれは、排気ポート１８の周辺に、排気ポート１８を取り囲むように設けられた二重管形状である。具体的には、各排気側流路部２４は、内側に排気ポート１８の壁面を有する管状の排気側内壁２５の外側に、管状の排気側外壁２６が配置されることにより形成された二重管形状である。
【００３７】
連結流路部２７は、燃焼室４０(図１)の壁面の外側に形成され、２つの吸気側流路部２１及び２つの排気側流路部２４の他端を接続する。連結流路部２７は、燃焼室４０に面する連結内壁２８に対し、燃焼室４０とは反対側に連結外壁２９が隙間をあけて配置されることにより形成される。
【００３８】
熱媒体路２０を構成する内壁及び外壁は、ヘッド本体１５ａを構成する金属(例えばアルミニウム合金)と同じ金属により形成される。
【００３９】
シリンダヘッド１５の各吸気側流路部２１及び各排気側流路部２４には、熱交換器８１において、電動モータ１００を含む電気駆動系の排熱によって暖められた熱媒体が外側熱媒体路８０を通じて供給される。吸気側流路部２１は、熱交換器８１側から供給されて暖められた熱媒体によって、吸気側内壁２２を介して、吸気ポート１６の壁面１６ａ(図３)を昇温させる。熱交換器８１から吸気側流路部２１及び排気側流路部２４の一方から他方に順に熱媒体を流してもよい。
【００４０】
伝熱抑制部３８は、熱媒体路２０とヘッド本体１５ａとの間に配置され、ヘッド本体１５ａに対し、熱媒体路２０の吸気側外壁２３の外周面を支持するように、ヘッド本体１５ａの内面と吸気側外壁２３の外周面とに接続される。伝熱抑制部３８は、ヘッド本体１５ａに対し、熱媒体路２０の排気側外壁２６の外周面と、連結流路部２７の連結外壁２９の外側面とを支持するように、ヘッド本体１５ａの内面と排気側外壁２６の外周面及び連結外壁２９の外側面とに接続される。図２から図４では、伝熱抑制部の図示を省略している。
【００４１】
例えば伝熱抑制部３８は、ヘッド本体１５ａ、吸気側外壁２３、排気側外壁２６、及び連結外壁２９を構成する金属と同じ金属(例えばアルミニウム合金)により形成され、複数の線状部分からなる格子状である。これにより、吸気側外壁２３、排気側外壁２６、及び連結外壁２９のそれぞれの少なくとも一部はヘッド本体１５ａに対し伝熱抑制部３８を介して配置される。なお、伝熱抑制部は、複数の板状部分からなる格子状としてもよい。
【００４２】
伝熱抑制部３８は、熱媒体路２０とヘッド本体１５ａとの間での伝熱を抑制する。例えば、伝熱抑制部３８を格子状とすることで、熱媒体路２０の外壁の外周面の全面がヘッド本体に接続される場合と異なり、ヘッド本体１５ａと熱媒体路２０の外壁との伝熱面積が小さくなる。これにより、熱媒体路２０とヘッド本体１５ａとの間での伝熱が抑制される。また、熱媒体路２０を流れる熱媒体によって加熱された吸気ポート１６は、ヘッド本体１５ａの内側に伝熱抑制部３８を介して配置される。これにより、熱媒体で加熱する部分の熱容量が小さくなる。このため、吸気ポート１６が熱媒体により効率よく迅速に昇温されやすい。また、吸気側外壁２３及び吸気側内壁２２の長手方向両端面は、ヘッド本体１５ａに直接に接続される。
【００４３】
熱媒体路２０を流れる熱媒体によって加熱された排気ポート１８は、ヘッド本体１５ａの内側に伝熱抑制部３８を介して配置される。これによっても、熱媒体で加熱する部分の熱容量が小さくなる。このため、排気ポート１８も熱媒体により効率よく迅速に昇温されやすい。また、排気側外壁２６及び排気側内壁２５の長手方向両端面は、ヘッド本体１５ａに直接に接続される。
【００４４】
上記のシリンダヘッド１５を製造する際には、例えば金属３Ｄプリンタを用いてシリンダヘッドの粗形状の部材を製作することができる。または、二重管構造の吸気ポート１６及び排気ポート１８と、伝熱抑制部３８との微細構造部を金属３Ｄプリンタで製作した後、その微細構造部を重力鋳造法またはダイカスト法による鋳造方法で鋳包んでシリンダヘッド１５を製作してもよい。製作した粗形状の部材にねじ穴、カムシャフトジャーナルなどの精度が必要な部位に切削加工を施してシリンダヘッド１５の完成品とする。
【００４５】
一般的な自動車用ポート噴射式自然吸気ガソリンエンジンで、シリンダ径が７０〜９０ｍｍの構造を想定した場合におけるエンジンの各部の概略寸法は次の通りである。エンジンの燃焼室面のヘッド本体１５ａの厚さは６〜８ｍｍであり、熱媒体路２０の内壁におけるポートの壁部の厚さは１〜２ｍｍであり、熱媒体路２０の外壁の厚さは１〜２ｍｍである。また、熱媒体路２０の流路幅は３〜５ｍｍであり、ポートの壁部(熱媒体路の内壁)に対する熱媒体路２０の外壁の形状は略相似形状である。熱媒体路２０は、熱媒体の流入口及び流出口を除いて、内壁と外壁との間におよそ均等な厚さ（流路幅）の筒状の空間を形成することにより構成される。
【００４６】
さらに、伝熱抑制部３８において、１ｃｍ2当たりの伝熱面積が０．２ｃｍ2以下となるように、格子部を構成する線径とその線の本数とを設定する。
【００４７】
燃焼室４０の壁厚さは、燃焼による最大筒内圧力に耐えられるように設定する。上記では、ポートの壁部及び熱媒体路２０の外壁の厚さを、金属３Ｄプリンタによって製作可能な厚さに設定している。一方、ポートの熱容量を低減する面からは、熱媒体路２０の内壁と外壁との合計厚さは、薄くなるほど好ましい。熱媒体路２０の流路幅は、薄くするほどシリンダヘッド１５内の熱媒体容量を少なくすることができるが、薄くし過ぎると圧力損失が大きくなる。このため、熱媒体路２０の流路幅は、上記のように３〜５ｍｍとした。例えば熱媒体路２０の流路幅を３ｍｍと設定した場合には、従来から一般的に用いられるエンジンに対して熱媒体の容量を約１/１０にしながら、吸気ポート１６の壁部のほぼ全面に相当する伝熱面積の確保が可能となる。
【００４８】
さらに、図１に示すように、外側熱媒体路８０のバイパス部８３は、冷却器８２を迂回するように、冷却器８２の外側に配置される流路である。切換弁８４は、外側熱媒体路８０において、冷却器８２の入口側におけるバイパス部８３との接続部に配置される。切換弁８４は、その切換が制御されることにより、上流側から流れる熱媒体を、冷却器８２及びバイパス部８３の一方に切り換えて流す。切換弁８４の切換は、後述の制御部１０４によって制御される。
【００４９】
温度センサ１０２は、例えば外側熱媒体路８０において、リターン経路８０ａの切換弁８４より上流側に設けられる。温度センサ１０２は、外側熱媒体路８０を流れる熱媒体の温度を検出する。その温度検出値は、後述の制御部１０４に入力される。
【００５０】
制御部１０４は、演算処理部及びメモリ等の記憶部を含んで構成される。制御部１０４は、温度センサ１０２で検出された熱媒体の温度が第１所定温度より低い場合には、熱媒体がバイパス部８３に流れるように切換弁８４を制御する。
【００５１】
上記の内燃機関システムを搭載した車両は、次の(１)〜（５）の手順で使用される。
（１）車両はＥＶ走行によって発進する。このとき、切換弁８４が制御されて、熱媒体が冷却器８２をバイパスするように設定される。これと共に、熱媒体ポンプ８６が駆動されることにより、熱媒体が外側熱媒体路８０及びシリンダヘッド１５の熱媒体路２０を循環する。
（２）バッテリのＳＯＣが所定値以下となると、エンジン１４が起動される。
（３）（２）より以前において、熱媒体の温度が、電動モータ１００、エンジン１４の耐熱温度によって決定される第２所定温度を上回る場合には、切換弁８４が制御され、冷却器８２に熱媒体を通過させる。これにより、熱媒体の温度が低下する。その後、熱媒体の温度が、第２所定温度より低い第１所定温度より低くなった場合には、再度、切換弁８４が制御され、熱媒体を冷却器８２に対しバイパスさせる。
（４）エンジン１４の起動によって、熱媒体がエンジン１４で暖められ、熱媒体の温度が第２所定温度を上回った場合には切換弁８４が制御されて、再度、冷却器８２に熱媒体を通過させる。
（５）（４）によっても、熱媒体の温度が第２所定温度を上回る場合、例えば十分な走行風が得られない場合には、冷却器８２の電動ファンが制御部１０４によって起動される。これにより、熱媒体の温度がより低下しやすくなる。
【００５２】
一般的に、エンジンでは、点火時期において適正な空燃比の混合気が燃焼室に送られることで良好な燃焼が得られ、炭化水素化合物等の未燃燃料を極少化することができる。一方、ポート噴射式のエンジンでは、燃料が供給されて混合気を形成する吸気ポートにおいて、エンジン始動時のように壁面の温度が低い場合には、壁面に付着した燃料の気化が不十分となる。この場合には、適正な空燃比で燃焼室内に混合気を供給できなくなるので、排気ガス中の未燃燃料が増加する原因となる。
【００５３】
一方、実施形態によれば、エンジン１４を始動する以前のＥＶ走行中に、電動モータ１００を含む電気駆動系の排熱によって、シリンダヘッド１５内の吸気ポート１６の壁面を予加熱することができる。これにより、エンジン始動時における吸気ポート１６の壁面での燃料蒸発が促進されて、未燃燃料を低減することができる。さらに、熱源としてＥＶ走行時の排熱を利用しているので、エネルギ消費を抑制することができる。また、シリンダヘッド１５において、吸気ポート１６を取り囲むように設けた二重管形状の吸気側流路部２１に熱媒体を流すことができる。これと共に、この吸気側流路部２１は、ヘッド本体１５ａに対し伝熱抑制部３８を介して配置する。これにより、内燃機関１２の始動に移行するときに、エネルギ消費を抑制しつつ、吸気ポート１６のポート壁を効率よく迅速に昇温させることができるので、内燃機関１２から排出される排気ガス中の未然燃料の量を抑制することができる。
【００５４】
次に実施形態の効果を確認するために行った計算結果を説明する。計算では、エンジン１４の各部の寸法と吸気ポート１６の温度上昇との関係を試算した。
【００５５】
図５は、実施の形態の効果を確認するための計算において、電動モータ１００から熱媒体に排熱される熱量を計算したときのＥＶ走行モードを示している。計算上では、１．６ｔクラスの車両に１００ｋＷの電動モータを使用して、市街地をＥＶ走行したと仮定した。この場合、燃費測定モードの１つであるＪＣ０８モードにおいて、図５の矢印αで示す前半部分における電動モータからの平均排熱量を、内燃機関システム１０への入り熱量とした。また、ＥＶ走行開始前の内燃機関システム１０における各要素（電動モータ１００、熱媒体、エンジン１４）の温度は、すべて室温（２５℃）とし、熱媒体の温度が６０℃になったところで冷却器８２により放熱を開始させて、熱媒体の温度を６０℃に安定させた。
【００５６】
このとき、熱媒体には乗用車用のＬＬＣ（ロングライフクーラント）を適用した。図６は、比較例の内燃機関システムにおいて、ＥＶ走行中での時間についての熱媒体路における熱媒体の温度と、吸気ポートの温度との計算結果の１例を示す図である。比較例では、上記の実施形態と異なり、特許文献２に記載された構成と同様に、伝熱抑制部を持たない鋳物構造であり、内部に従来の管構造の熱媒体路を有するシリンダヘッドを用いている。図６に示す計算結果から、ＥＶ走行開始と共に、電動モータからの排熱によって熱媒体（ＬＬＣ）の温度が上昇し、これに伴って、シリンダヘッド内の吸気ポートの温度も上昇した。図６の計算結果では、約１８分で熱媒体の温度が約６０℃に到達した。一方、吸気ポートの温度は６０分を経過した時点でも、５７℃程度であった。
【００５７】
図６に示した計算例に上記の実施形態の構造を適用した。図７は、この場合において、加熱される部分であるシリンダヘッド１５及び熱媒体の熱容量と、吸気ポート１６が２５℃から５８℃まで昇温するまでに必要な時間である昇温時間との関係を示している。図７は、図６に計算例を示した比較例を基準として、（１）から（４）まで順に構成を変化させている。
【００５８】
まず、（１）では、比較例の構成に対し、熱媒体路を実施形態の二重管構造の熱媒体路２０に置き換えて、熱容量と昇温時間との関係を計算した。この計算の結果により、図６の（１）で示すように、吸気ポートの５８℃までの昇温時間をほぼ半減することができた。本計算では、比較例に対し、加熱される部分の熱容量がほぼ同等となるように熱媒体路２０の内壁、外壁の厚さ、及び熱媒体路２０の流路幅を調整している。これにより、昇温時間の半減の効果が得られる理由は、主として熱媒体路２０を二重管構造にしたことで熱媒体とポート壁との間での伝熱面積が増加したことと、熱媒体が流れる熱媒体路２０が薄型になったことで流速が増大し、熱伝達係数が向上したためと考えられる。
【００５９】
次に、（２）では、（１）に対して各部の厚さを変更せずに、熱媒体路２０の外壁からヘッド本体１５ａへの伝熱量を低減した。具体的には熱媒体路２０の外壁におけるヘッド本体１５ａとの伝熱面積を、全面接触状態の１/１から１/１００まで変化させて、吸気ポート１６が２５℃から５８℃まで昇温するまでの昇温時間を計算した。図８は、このときの伝熱面積の削減割合について、全面接触状態に対する伝熱面積比と昇温時間との関係を示している。図８の計算結果から、特に、伝熱面積割合を１/５（＝０．２）以下とすることで、吸気ポート１６の昇温時間の短縮の効果が大きくなることが分かる。これにより、実施形態では、昇温時間の短縮効果を得る面から、伝熱面積割合を全面接触に対して１/５以下とすることが好ましい。具体的には、吸気側流路部２１の吸気側外壁２３における伝熱抑制部３８との接触部の面積の割合を、吸気側外壁２３と伝熱抑制部３８との全面接触に対して１／５以下とすることが好ましい。
【００６０】
次に、（３）では、（２）に対して、熱媒体路２０の各部の壁厚さ、及び熱媒体路２０の流路幅を削減すると共に、燃焼室４０の壁厚さも削減することで、熱容量を低減して、吸気ポート１６が２５℃から５８℃まで昇温するまでの昇温時間を計算した。燃焼室４０の壁厚さは、ヘッド本体１５ａの厚さと同一である。各部の厚さ及び流路幅を最大で削減した条件では、熱媒体路２０の内壁、外壁の厚さがそれぞれ１ｍｍで、流路幅が３ｍｍで、燃焼室４０の壁厚さが７ｍｍである。
【００６１】
表１は、（３）の構成における最初の構成（３−１）、及び最後の２つの構成（３−２、３−３）での各部の寸法を示している。（３−１）の構成では、熱容量が比較例と同等になるように各部の厚さを設定している。
【００６２】
【表１】
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【００６３】
図７の（３）で示すように、壁厚さ及び流路幅は、いずれも薄くするほど加熱される部分の熱容量が低減されると共に、それに対してほぼ比例的に吸気ポート１６の昇温時間も短縮されることが分かる。例えば、上記の実施形態において、熱媒体路２０における吸気側流路部２１の流路幅を５ｍｍ以下とすることができる。このため、昇温時間の短縮に対しては、各部の寸法を薄くするほど良いことになる。一方、製造精度や部材の強度の制約、熱媒体路２０についての圧力損失を勘案して、各部の寸法を決定する必要がある。これらを勘案して実施形態では、熱媒体路２０の内壁、外壁の厚さを１〜２ｍｍで、流路幅を３〜５ｍｍとすることができる。
【００６４】
最後に、（４）では、シリンダヘッド１５内の熱媒体路２０も含んで、システム内を流れる熱媒体の量を２Ｌから０．５Ｌに削減して、吸気ポート１６が２５℃から５８℃まで昇温するまでの昇温時間を計算した。システム内の熱媒体も加熱される対象となるため、その削減によって、吸気ポート１６の昇温時間が短縮された。システム内の熱媒体の量は、システムレイアウト、配管の太さ、長さ、熱媒体ポンプ８６の仕様などに依存し、エンジン構造のみでは決定ができない。実施形態では、大きな容量となりやすい冷却器８２に熱媒体を流すか否かを切り換える切換弁８４を用いることで、冷却器８２をバイパスしたときのシステム内の熱媒体量を削減した。（１）から（４）の構成を採用することにより、吸気ポート１６の昇温時間を、比較例の約３６００秒（＝約６０分）から約８００秒（＝約１３分）に大きく短縮できた。
【００６５】
以上のように、加熱される部分の熱容量を小さくすることにより、吸気ポート１６の昇温時間を短縮することができる。次に、このことを確認するために行った計算を説明する。この計算では、加熱される部分を、吸気ポート１６及び排気ポート１８のうち、吸気ポート１６のみとした場合に、吸気ポート１６の２５℃から５８℃までの昇温時間を計算した。図９は、吸気ポート１６及び排気ポート１８の両方の周囲に熱媒体路２０がある場合(吸排気ポート)と、吸気ポート１６の周囲にのみ熱媒体路がある場合(吸気ポートのみ)の２つで昇温時間を計算した結果を示している。図９に示す計算結果では、いずれの場合でも、熱媒体路２０の壁厚さを、６ｍｍから１ｍｍに徐々に変化させている。
【００６６】
図９に示す計算結果から、加熱対象を吸気ポート１６のみとすることで昇温時間を短縮することが可能となることが分かる。このため、実施形態では、吸気ポート１６に燃料を供給するので、吸気ポート１６の周囲にのみ実施形態の構造を適用することが好ましい。この場合には、上記の実施形態において、熱媒体路は、排気ポート１８の外側には配置されない。一方、吸気ポート１６及び排気ポート１８の両方の外側に熱媒体路が配置される構成で、吸気側流路部及び排気側流路部を連結する連結流路部を省略することもできる。これによっても、加熱対象が少なくなるので、吸気ポート１６の昇温時間を短縮できる。
【００６７】
なお、上記の実施形態では、伝熱抑制部３８が金属の格子状である場合を説明したが、これに限定するものではなく、伝熱抑制部は、空気層、真空引きで形成された真空部、低密度ガス充填部等とすることができる。また、伝熱抑制部は、熱伝導係数の低い材料を配置することにより形成したり、熱伝導係数の低い材料の粉末を充填することにより形成してもよい。
【００６８】
また、上記の実施形態では、電動モータ１００のみならず、車両に搭載されている電気駆動系の排熱によって熱交換器８１を介して熱媒体を昇温するものとしてもよい。電気駆動系には、例えば、電動モータ１００を制御するためのコンバータやインバータが含まれる。
【符号の説明】
【００６９】
１０  内燃機関システム、１２  内燃機関、１４  エンジン、１５  シリンダヘッド、１５ａ  ヘッド本体、１６  吸気ポート、１６ａ  壁面、１７  吸気バルブ、１８  排気ポート、１９  排気バルブ、２０  熱媒体路、２１  吸気側流路部、２２  吸気側内壁、２３  吸気側外壁、２４  排気側流路部、２５  排気側内壁、２６  排気側外壁、２７  連結流路部、２８  連結内壁、２９  連結外壁、３８  伝熱抑制部、４０  燃焼室、４１  ピストン、４２  燃料噴射弁、４３  シリンダブロック、４５  カムカバー、４６  カムシャフト、４７  点火プラグ支持部、８０  外側熱媒体路、８０ａ  リターン経路、８１  熱交換器、８２  冷却器、８３  バイパス部、８４  切換弁、８５  配管、８６  熱媒体ポンプ、１００  電動モータ、１０２  温度センサ、１０４  制御部。
【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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【図９】
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