(57)【要約】【課題】ＡＲ燃焼２ストローク水冷式内燃機関において、ＡＲ燃焼が発生する回転数・負荷状態に応じた最良の気筒内ガス温度を実現する冷却水温度調節機構を設け、内燃機関回転数および負荷で表現される運転域を拡大する。【解決手段】冷却水温度を所定の条件に基づいて自己着火可能な温度にコントロールする冷却水温度調節機構が設ける。上記の所定の条件は、冷却水温度検出値、内燃機関回転数、およびスロットル開度に基づいて設定される。【選択図】　　　　図２
2004060559.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも或る領域で自己着火燃焼を行う２ストローク水冷式内燃機関において、
冷却水温度を所定の条件に基づいて自己着火可能な温度にコントロールする冷却水温度調節機構が設けてあることを特徴とする水冷式内燃機関。
【請求項２】
前記の所定の条件は、冷却水温度検出値、内燃機関回転数、およびスロットル開度に基づいて設定されることを特徴とする請求項１に記載の水冷式内燃機関。
【請求項３】
前記の所定の条件は、冷却水温度検出値、および車速に基づいて設定されることを特徴とする請求項１に記載の水冷式内燃機関。
【請求項４】
前記冷却水の温度調節はラジエータに送られる冷却水の流量をコントロールすることによって行われることを特徴とする請求項１に記載の水冷式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも或る領域で自己着火燃焼を行う２ストローク水冷式内燃機関に関するものであり、特に自己着火運転域を拡大するための冷却水温度調節に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の火花点火式２ストローク内燃機関は、シリンダ孔の内周面にピストンによって開閉される排気ポートと掃気ポートを形成し、クランク室内で予圧された新気を掃気ポートからシリンダ室内に送り、既燃ガスを排気ポートから排出し、シリンダ室内で圧縮された新気を点火栓により着火させるようになっている。このような従来の火花点火式２ストローク内燃機関では、中低負荷運転域で、不着火、燃焼不安定などにより、燃料消費率が増加し、かつ排気ガス中の未燃炭化水素量が増大する場合がある。
【０００３】
これを解消するために、特開平７−７１２７９号公報に示されているように、排気ポートに排気制御弁を設け、内燃機関回転数とスロットル開度とに応じた開度となるように上記排気制御弁を駆動させ、ピストンによる排気開口閉塞時の気筒内圧力を適正に制御することによって、中低負荷運転領域において、適切な着火時期に燃焼室内の新気を自己着火させることができる。これを活性熱雰囲気燃焼（Ａｃｔｉｖａｔｅｄ　Ｒａｄｉｃａｌ　Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）あるいは略してＡＲ燃焼という。
【０００４】
このように、ＡＲ燃焼させる２ストローク内燃機関では、既燃ガスの熱エネルギを利用して新気を活性化するものであるため、特に内燃機関始動時などの燃焼室壁面の温度が低い状態では既燃ガスの温度が十分に保持されず、ＡＲ燃焼が困難となる。
【０００５】
従来のＡＲ燃焼２ストローク水冷式内燃機関では、特開平７−１５０９３７号公報に示されるように、内燃機関の冷却水の配管系に冷却水温度センサを設け、水温が所定値に達するまでは、循環水がラジエータを経由しないようバイパスして流して急速な温度上昇を図るとか、内燃機関のウオータジャケットの出口に絞り効果を有するサーモスタットを配置して、水温が所定値に達するまではラジエータを通過する水量を少なくして、冷却水の急速な温度上昇を図るなどのことが行われていた。
【０００６】
上記の従来技術では、循環冷却水の温度が所定水温に達するまでは、その所定水温を目標として温度を高め、所定水温に達した後には、その水温が保たれるように制御し、これによって燃焼室壁面の温度が一定となるようにしていた。すなわち上記制御の目標となる冷却水温度目標値は一定値であった。
【０００７】
高回転・高負荷時における内燃機関の性能・機能の安定化のためには、それに適したある一定の気筒内のガス温度を維持する必要がある。運転域（回転数・負荷）を広げるため、低回転・低負荷時において、ＡＲ燃焼を発生させるようにしようとすると、その時の気筒内のガス温度を、高回転・高負荷時の温度より高く保つ必要がある。従来のＡＲ燃焼水冷式内燃機関のように、運転条件の変化を考慮しないで一定水温を維持する制御方法では、ＡＲ燃焼が発生する運転域（回転数・負荷）の拡大は難しい。
【０００８】
【解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の欠点を解消し、ＡＲ燃焼２ストローク水冷式内燃機関の運転域を拡大するために、ＡＲ燃焼が発生する回転数・負荷状態に応じた最良の気筒内ガス温度を実現するための、冷却水温度調節機構を備えた水冷式内燃機関を提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段および効果】
本発明は上記課題を解決したものであって、請求項１に記載の発明は、少なくとも或る領域で自己着火燃焼を行う２ストローク水冷式内燃機関において、冷却水温度を所定の条件に基づいて自己着火可能な温度にコントロールする冷却水温度調節機構が設けてあることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明はこのように構成されているので、ＡＲ燃焼の運転域が拡大し、内燃機関の燃料消費率の低下、未燃有害物質の排出量の低減が可能となる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の水冷式内燃機関において、前記の所定の条件は、冷却水温度検出値、内燃機関回転数、およびスロットル開度に基づいて設定されることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明はこのように構成されているので、ＡＲ燃焼および通常の点火栓による燃焼の最適状態の実現およびその切り換えが可能となる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の水冷式内燃機関において、前記の所定の条件は、冷却水温度検出値、および車速に基づいて設定されることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明はこのように構成されているので、ＡＲ燃焼および通常の点火栓による燃焼の最適状態の実現およびその切り換えが簡単なシステムで可能となる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の水冷式内燃機関において、前記冷却水の温度調節はラジエータに送られる冷却水の流量をコントロールすることによって行われることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明はこのように構成されているので、低回転・低負荷運転の時の内燃機関冷却水温を従来の内燃機関より高く設定でき、また高回転・高負荷運転の時の内燃機関冷却水温を従来の内燃機関より低く設定できる。これによって、低速時にはＡＲ燃焼運転域の拡大が可能となり、全運転域において燃料消費率、有害排出物の低減が図られる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
ＡＲ燃焼は、排気ポートに設けた排気制御弁、すなわちＡＲ燃焼制御弁、の開度を制御して排気の排出を抑制し、気筒内ガスの圧縮末期の温度を所定値に保って、自己着火燃焼を実現している。水冷式内燃機関においては、気筒内ガス温度は循環している冷却水温度に影響されて決まる。
【００１８】
図１は水冷式内燃機関における回転数と負荷の関係図の上で、冷却水温度とＡＲ燃焼域の関係を示した図である。図において、ＡＲ燃焼状態から回転数・負荷を低下させて行き、極低回転・極低負荷状態になると、自己着火を可能にする気筒内ガス温度が保てなくなるので、ＡＲ燃焼が維持されなくなる。この下方の限界負荷は「ＡＲ燃焼下限負荷」である。水冷式内燃機関の場合は、冷却水温度が高いほど、ＡＲ燃焼の下限負荷は低く、冷却水温度が低いほどＡＲ燃焼の下限負荷は高い。
【００１９】
また、図１において、ＡＲ燃焼状態から負荷を増加させて行くと、内燃機関の掃気効率が向上し、新気が増加し、残留既燃ガスが減少するため、気筒内ガス温度は低下し、ＡＲ燃焼は維持されなくなり、通常のスパーク燃焼へと移行する。この境目となる上方の限界負荷は「ＡＲ燃焼上限負荷」である。水冷式内燃機関の場合は、冷却水温度が高いほど、ＡＲ燃焼の上限負荷は高く、逆に冷却水温度が低いほどＡＲ燃焼の上限負荷は低くなる。
【００２０】
図２は本発明の第１実施形態に係る冷却水温度制御システムの系統図である。ＡＲ燃焼を行う２ストローク水冷式内燃機関１は大きく分けて、上部のシリンダヘッド２、その下のシリンダ３、および、その下のクランクケース４からなっている。シリンダヘッド２には点火栓５が設けられ、その先端はシリンダヘッド２の内部の燃焼室に臨んでいる。シリンダ３の側部には排気ポート６が設けられ、シリンダ３との境界部に、ＡＲ燃焼制御弁７が揺動可能に設けてある。これはＡＲ燃焼を実現するための排気制御弁であって、既燃ガスの排出を抑制するよう制御して、気筒内ガス温度を高め、新気の自己着火を促進するためのものである。クランクケース４には吸気ポート８が設けられ、その側部を貫通して燃料噴射弁９が設けてある。
【００２１】
この内燃機関は水冷式であり、シリンダヘッド２およびシリンダ３には図示していない冷却水循環用ウオータジャケットが形成され、シリンダヘッド２から出てシリンダ３に戻る冷却水配管が連なっている。シリンダヘッド２のウオータジャケット出口から延びる冷却水配管の管路Ａは、途中で電磁三方弁１０を介して分岐し、並列の管路Ｂと管路Ｃとに分かれ、その後再び合流して１本の管路Ｄとなり、シリンダ３のウオータジャケット入口に連なる。分岐前の管路Ａのシリンダヘッド２に近い部分に、冷却水温度センサ１１が設けてある。管路Ａから管路Ｂ、Ｃへの分岐点に設けられた電磁三方弁１０によって冷却水の流れを切り換えることができる。管路Ｃにはラジエータ１２が設けてあり、この管路を通過する冷却水は冷却される。合流後の管路Ｄには冷却水ポンプ１３が設けられ、冷却水をシリンダへ送り込んで循環させる。内燃機関の外部に電子制御装置１４が設けてある。電子制御装置１４へは、温度センサ１１からの冷却水温度検出値信号、内燃機関１からの回転数およびスロットル開度信号が送られる。
【００２２】
図３は冷却水温度目標値マップであり、ＡＲ燃焼に適した冷却水温度目標値（℃）が、内燃機関回転数（ｒ／ｍｉｎ）とスロットル開度（％）の関数として図示してある。このマップは実験によって得られたものである。上記ＡＲ燃焼に適した冷却水温を実現するための制御は、電磁三方弁１０を電子制御装置１４で制御する循環水路の切り換えによって行われる。
【００２３】
図４は電磁三方弁による冷却水管路の切り換え制御図である。横軸には冷却水温度検出値の目標値に対する温度差（＝「冷却水温度の検出値」−「冷却水温度の目標値」）（℃）が目盛ってあり、縦軸には管路Ｂと管路Ｃが記載してある。高温の冷却水が、ラジエータの有る管路Ｃを流れることによって温度が低下し、上記温度差がプラス側から０に近づいた時には、冷却水の流れをラジエータの無い管路Ｂへ向かうよう、電子制御装置１４によって電磁三方弁１０が切り換え制御される。また、又冷却水が、ラジエータの無い管路Ｂを流れることによって温度が上昇し、上記温度差がマイナス側から０に近づいた時には、冷却水の流れがラジエータの有る管路Ｃへ向かうよう、電子制御装置１４によって電磁三方弁１０が切り換え制御される。このような制御の繰り返しによって、冷却水温度は図３に示される目標値に保たれる。
【００２４】
如何なる水温においても最適なエンジン性能が得られるよう、上記のように制御されている冷却水温度に応じたＡＲ燃焼制御弁７の開度、点火栓５の点火時期、および空燃比を決める燃料噴射弁９の開度が、例えば本件出願人が過去に出願した発明に関する特開平７−７１２７９号公報などに記載の方法によって、電子制御装置１４によって制御される。
【００２５】
図５は本発明の第２実施形態に係る冷却水温度制御システムの系統図である。このシステムは、ＡＲ燃焼２ストローク水冷式内燃機関１を搭載した車両の、車速計１５からの車速情報を電子制御装置１４へ送るようになっている。
【００２６】
図６はこの実施形態の冷却水温度目標値マップであり、ＡＲ燃焼に適した冷却水温度の目標値（℃）が、車速（ｋｍ／ｈ）の関数として図示してある。このマップは実験によって得られたものである。上記ＡＲ燃焼に適した冷却水温を実現するための制御は、第１実施形態と同様に、電磁三方弁１０を電子制御装置１４で制御することによる循環水路の切り換えによって行われる。なお、第１実施形態の冷却水温度目標値マップ（図３）と第２実施形態の冷却水温度目標値マップ（図６）とでは、パラメータが異なっているが、実用上はあまり違いはない。上記のように制御されている冷却水温度に応じたＡＲ燃焼制御弁７の開度、点火栓５の点火時期、および空燃比を決める燃料噴射弁９の開度の制御は、第１実施形態と同じである。
【００２７】
図７は本発明の第３実施形態に係る冷却水温度制御システムの系統図である。このシステムでは、第１、第２実施形態に設けられていた電磁三方弁１０と管路Ｂが除去され、冷却水は常にラジエータ１２を経由して循環する。さらに管路Ｄに設けられていた冷却水ポンプが電動式冷却水ポンプ１６に置き換えられ、電子制御装置１４によって同電動式冷却水ポンプの送水量を変更して制御するようになっている。
【００２８】
図８は電動式冷却水ポンプ１６の送水量切り換え制御図である。横軸には冷却水温度検出値の目標値に対する温度差（＝「冷却水温度の検出値」−「冷却水温度の目標値」）（℃）が目盛ってあり、縦軸には冷却水ポンプの送水量（Ｌ／ｍｉｎ）が目盛ってある。この制御図によって、上記温度差が正の時、すなわち、温度センサ１１による水温検出値が目標値より高い時には、ポンプ送水量を大にして、ラジエータに多量の冷却水を送り、冷却を早める。逆に、上記温度差が負の時、すなわち、温度センサ１１による水温検出値が目標値より低い時には、ポンプ送水量を小にして、ラジエータによる冷却を少なくする。
【００２９】
本実施形態の制御システムとしては、ポンプ送水量制御に用いる冷却水温度目標値マップとして第１実施形態の図３に示したマップを用いることを前提としているが、他の実施形態として、システムに車速計を加え、車速を電子制御装置へ入力するようにして、第２実施形態の図５に示した冷却水温度目標値マップを用いるようにしてもよい。上記のように制御されている冷却水温度に応じたＡＲ燃焼制御弁７の開度、点火栓５の点火時期、および空燃比を決める燃料噴射弁９の開度の制御は、第１実施形態と同じである。
【００３０】
以上詳述したように、本実施形態のＡＲ燃焼２ストローク水冷式内燃機関は、ＡＲ燃焼が発生するための回転数・負荷状態に応じた最良の気筒内ガス温度を実現するための機構を備えている。すなわち、電子制御装置に冷却水温度検出値、内燃機関回転数、およびスロットル開度を入力し、あるいは車速を入力し、これに基づいて、三方弁による冷却水流路の切り換え、または電動式ポンプの流量変更をおこなって、最適な冷却水温度を実現している。
【００３１】
これによって、ＡＲ燃焼の運転域（回転数・負荷）の拡大が可能となった。さらに内燃機関の燃料消費率の低下、未燃有害物質の排出量の低減が可能となった。さらに、ＡＲ燃焼および通常の点火栓による燃焼の、最適状態の実現およびその切り換えが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】水冷式内燃機関における回転数と負荷の関係図の上で、冷却水温度とＡＲ燃焼域の関係を示した図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るＡＲ燃焼を行う２ストローク水冷式内燃機関のシステムの系統図である。
【図３】冷却水温度目標値マップであり、ＡＲ燃焼に適した冷却水温度の目標値が、内燃機関回転数とスロットル開度の関数として示してある。
【図４】上記実施形態における電磁三方弁による冷却水管路の切り換え制御図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係るＡＲ燃焼を行う２ストローク水冷式内燃機関のシステムの系統図である。
【図６】上記実施形態の冷却水温度目標値マップであり、ＡＲ燃焼に適した冷却水温度の目標値が、車速の関数として示してある。
【図７】本発明の第３実施形態に係るＡＲ燃焼を行う２ストローク水冷式内燃機関のシステムの系統図である。
【図８】上記実施形態における電動式冷却水ポンプの送水量切り換え制御図である。
【符号の説明】
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ…管路、１…内燃機関、２…シリンダヘッド、３…シリンダ、４…クランクケース、５…点火栓、６…排気ポート、７…ＡＲ燃焼制御弁、８…吸気ポート、９…燃料噴射弁、１０…電磁三方弁、１１…温度センサ、１２…ラジエータ、１３…冷却水ポンプ、１４…電子制御装置、１５…車速計、１６…電動式冷却水ポンプ。
【図１】
2004060559.tif 000003
【図２】
2004060559.tif 000004
【図３】
2004060559.tif 000005
【図４】
2004060559.tif 000006
【図５】
2004060559.tif 000007
【図６】
2004060559.tif 000008
【図７】
2004060559.tif 000009
【図８】
2004060559.tif 000010