JP2024071017A - エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの始動直後においてシリンダライナに付着した燃料を十分に気化させることにより粒子状物質の発生を抑制可能としたエンジンを提供する。【解決手段】エンジン１００は、シリンダ壁１２及びシリンダライナ１４を有するシリンダブロック１０を備える。エンジン１００は、シリンダ壁１２に沿って延びるウォータジャケット２０内に配置された誘導コイル４２を有するヒータをさらに備える。ヒータは、誘導コイル４２に流れる交流電流によってシリンダ壁１２に渦電流を発生させることによりシリンダ壁１２を加熱する。【選択図】図１

Description

本開示はエンジンに関するものである。

特許文献１に記載のエンジンは、ガスジャケットを有するシリンダブロックを備えている。当該ガスジャケットは、シリンダブロック内において、シリンダ壁に沿って延びている。排気通路が排気ガス供給バルブを介してガスジャケットに接続されている。ガスジャケットは、排気ガス排出通路を介して吸気通路に接続されている。

エンジンの稼働中において排気ガス供給バルブを開弁することにより、排気ガスがガスジャケットを流れる。これにより、シリンダ壁を加熱できる。シリンダ壁を加熱することを通じてシリンダ壁の内側に位置するシリンダライナを加熱できる。これにより、シリンダライナとピストンとの間の潤滑油の温度を所望の温度まで上げることができる。これにより潤滑油の粘度が低下するので、シリンダライナとピストンとの間の摩擦損失を抑えることができる。これにより、燃費を向上できる。

特開２００１－１５２９６０号公報

エンジンの始動直後においては、排気ガスの温度が低い。エンジンの始動直後において、インジェクタから噴霧されて気化していない燃料がシリンダライナに付着することがある。燃料が十分に気化していない状態で混合気が点火されると、粒子状物質（ＰＭ）が発生する可能性がある。このため、シリンダライナを加熱することによって燃料を十分に気化させることで、ＰＭの発生を抑制することが考えられる。

上記特許文献に記載の技術は、排気ガスの温度が十分高くなっていることを前提として、排気を用いてシリンダライナを加熱するものである。したがって、エンジンが始動した直後において、ＰＭの発生を抑制することは困難である。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
本開示の一態様によれば、エンジンであって、シリンダ壁及び、前記シリンダ壁の内側に位置し、かつ、前記シリンダ壁に連続するシリンダライナを有するシリンダブロックと、前記シリンダブロック内において前記シリンダ壁に沿って延びるウォータジャケット内に配置され、かつ、前記シリンダ壁に沿って延びる誘導コイルを有するヒータと、を備え、前記ヒータは、前記誘導コイルに流れる交流電流によって前記シリンダ壁に渦電流を発生させることにより前記シリンダ壁を加熱するように構成されている、エンジンが提供される。

上記構成によれば、エンジンが始動した直後であるか否かにかかわらず、誘導コイルを用いてシリンダ壁に渦電流を発生させることによりシリンダ壁を加熱できる。これにより、シリンダライナを加熱できる。これにより、シリンダライナに付着した燃料を十分に気化させることができるので、エンジンが始動した直後であっても、ＰＭの発生を抑制できる。

上記エンジンにおいて、前記シリンダ壁及び前記シリンダライナは、全体において鉄材料から形成されている一方、前記シリンダブロックは、前記シリンダ壁及び前記シリンダライナ以外はアルミ材料から形成されていてもよい。

一般的には、シリンダブロックは、軽量化を目的としてアルミ材料から形成されることが知られている。また、一般的に、シリンダライナは、耐久性の確保を目的として鉄材料から形成されることが知られている。

これに対し、上記構成では、シリンダ壁及びシリンダライナは、全体において鉄材料から形成されている一方、シリンダブロックは、シリンダ壁及びシリンダライナ以外はアルミ材料から形成されている。上記構成とは異なり、シリンダ壁が、アルミ材料から形成されている比較例が考えられる。

誘導コイルが、所与の周波数を有する交流磁場をシリンダ壁にかける場合を想定する。シリンダ壁がアルミ材料から形成されている場合に流れる渦電流の大きさは、シリンダ壁が鉄材料から形成されている場合に流れる渦電流の大きさと同じである。渦電流の大きさは、交流磁場の周波数に正比例して増大する。

鉄材料の体積抵抗率は、アルミ材料の体積抵抗率の約４培である。このため、上記構成と同程度のジュール熱を発生させるためには、比較例では周波数を約４培に増大させる必要がある。上記構成では、比較的低い周波数の交流電流を誘導コイルに流すことでシリンダ壁を誘導加熱できる。このため、上記構成によれば、高周波の交流電流を発生するコストが高いヒータが不要となる。したがって、上記構成によれば、ヒータに要するコストを減らすことができる。

上記エンジンにおいて、前記シリンダ壁及び前記シリンダライナがシリンダを構成し、前記シリンダは、前記シリンダブロックが有する複数のシリンダのうちの１つであり、前記複数のシリンダは一列に並んでおり、前記複数のシリンダの複数の中心軸線は前記シリンダブロックの１つの断面上にあり、前記ウォータジャケットは、前記断面に対する第１の側に位置する第１流路と、前記断面に対する第２の側に位置する第２流路とからなり、前記第１の側と前記第２の側は前記断面を挟んで互いに反対であり、前記第１流路と前記第２流路との各々は、前記複数のシリンダに跨って延びており、前記誘導コイルは前記第２流路に配置されていてもよい。

上記エンジンにおいて、前記複数のシリンダ内にそれぞれ燃料を噴射するように構成された複数のインジェクタを備え、前記複数のインジェクタの各々は、前記第２の側に向いていてもよい。

上記構成によれば、燃料が付着しやすいシリンダライナの部位を加熱しやすくなる。このため、シリンダライナに付着した燃料を十分に気化させやすくなる。これにより、ＰＭの発生を抑制しやすくなる。

図１は、第１の実施形態に係るエンジンが備えるシリンダブロックの断面図である。 図２は、図１のエンジンが備えるヒータを説明するための図である。 図３は、図１のエンジンが備える誘導コイルが発生させる磁場を説明するための図である。 図４は、第２の実施形態に係るエンジンが備えるシリンダブロックの断面図である。

（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態に係るエンジンについて、図面を参照して説明する。
＜エンジン１００の概要＞
図１に示すように、エンジン１００は、シリンダブロック１０を備える。シリンダブロック１０は、複数のシリンダ１６を有している。複数のシリンダ１６の各々は、シリンダ壁１２及び、シリンダ壁１２の内側に位置し、かつ、シリンダ壁１２に連続するシリンダライナ１４からなる。すなわち、シリンダ壁１２及びシリンダライナ１４がシリンダ１６を構成する。シリンダライナ１４は、全体において鉄材料から形成されている。シリンダブロック１０は、シリンダライナ１４以外はアルミ材料から形成されている。

ウォータジャケット２０が、シリンダブロック１０内においてシリンダ壁１２に沿って延びている。エンジン１００は、シリンダ壁１２に沿って延びる誘導コイル４２を有するヒータ４０を備えている。誘導コイル４２はシート状である。誘導コイル４２はシリンダ壁１２に固定されている。図２に示すように、ヒータ４０は、誘導コイル４２と駆動回路５０とを有する。駆動回路５０の詳細については、後述する。図１に示すように、誘導コイル４２は、ウォータジャケット２０内に配置されている。ヒータ４０は、誘導コイル４２に流れる交流電流によってシリンダ壁１２に渦電流を発生させることによりシリンダ壁１２を加熱する。

図１に示すように、エンジン１００は、複数のシリンダ１６内にそれぞれ燃料を噴射するように構成された複数のインジェクタ３０を備えている。複数のシリンダ１６の各々に対して、２つの吸気バルブ３２及び２つの排気バルブ３４がエンジン１００に設けられている。図１は、複数のインジェクタ３０、複数の吸気バルブ３２、及び複数の排気バルブ３４を一点鎖線で示している。

＜複数のインジェクタ３０と誘導コイル４２との位置関係＞
図１に示すように、複数のシリンダ１６は一列に並んでおり、複数のシリンダ１６の複数の中心軸線Ｌはシリンダブロック１０の１つの断面Ｓ上にある。ウォータジャケット２０は、断面Ｓに対する第１の側１ｓｔＳＤに位置する第１流路２２と、断面Ｓに対する第２の側２ｎｄＳＤに位置する第２流路２４とからなる。第１の側１ｓｔＳＤと第２の側２ｎｄＳＤは断面Ｓを挟んで互いに反対である。第１流路２２と第２流路２４との各々は、複数のシリンダ１６に跨って延びている。誘導コイル４２は第２流路２４に配置されている。複数のインジェクタ３０の各々は、第２の側２ｎｄＳＤに向いている。

＜ヒータ４０が有する駆動回路５０＞
図２を参照して、ヒータ４０が有する駆動回路５０について説明する。上述したように、ヒータ４０は、誘導コイル４２と駆動回路５０とを有する。直流電源７０が駆動回路５０に電圧を供給する。

駆動回路５０は、直流電源７０の高電位端子に接続された正極ライン５４を有する。駆動回路５０は、直流電源７０の低電位端子に接続された負極ライン５６を有する。駆動回路５０は、正極ライン５４に接続された上アームスイッチ５８を有する。駆動回路５０は、負極ライン５６に接続された下アームスイッチ６０を有する。上アームスイッチ５８と下アームスイッチ６０とは互いに接続されている。出力制御部５２は、上アームスイッチ５８と下アームスイッチ６０とを個別にオン・オフすることができる。

駆動回路５０は、正極ライン５４に接続された第１スナバキャパシタ６２を有する。駆動回路５０は、負極ライン５６に接続された第２スナバキャパシタ６４を有する。第１スナバキャパシタ６２と第２スナバキャパシタ６４とは互いに接続されている。駆動回路５０は、負極ライン５６に接続された共振キャパシタ６６を有する。共振キャパシタ６６の容量を変更することにより、回路の共振周波数を変更することが可能である。共振キャパシタ６６の容量を小さくすることによって、回路の共振周波数を高くすることが可能である。これにより、回路の共振周波数を、シリンダ壁１２を加熱するために所望される交流磁場の周波数に一致させることができる。

上アームスイッチ５８と下アームスイッチ６０との中間点は、誘導コイル４２の第１端に接続されている。第１スナバキャパシタ６２と第２スナバキャパシタ６４との中間点は、誘導コイル４２の第１端に接続されている。誘導コイル４２の第２端は、共振キャパシタ６６を介して負極ライン５６に接続されている。

上アームスイッチ５８をオンに維持し、かつ、下アームスイッチ６０をオフに維持することにより、誘導コイル４２において一方向に電流が流れる。この後、上アームスイッチ５８をオフに維持し、かつ、下アームスイッチ６０をオンに維持することにより、誘導コイル４２において逆方向に電流が流れる。これは、上アームスイッチ５８をオンに維持し、かつ、下アームスイッチ６０をオフに維持することにより共振キャパシタ６６に蓄えられた電荷が流れ出すことに起因する。

＜誘導コイル４２が発生させる磁場＞
図３を参照して、誘導コイル４２が発生させる磁場について説明する。誘導コイル４２の１つの渦巻きが複数のシリンダ１６に跨って延びている。このため、誘導コイル４２に交流電流を流すと、誘導コイル４２に対向する複数のシリンダ１６の部位において同じ極性が現れる。図３では、誘導コイル４２に対向する複数のシリンダ１６の部位においてＮ極が現れている。誘導コイル４２とは反対側の複数のシリンダ１６の部位においてＳ極が現れている。図３に矢印で示すように、磁力線がシリンダ１６を回り込むように生成される。

＜第１の実施形態の効果＞
（１－１）本実施形態によれば、エンジン１００が始動した直後であるか否かにかかわらず、誘導コイル４２を用いてシリンダ壁１２に渦電流を発生させることによりシリンダ壁１２を加熱できる。これにより、シリンダライナ１４を加熱できる。これにより、シリンダライナ１４に付着した燃料を十分に気化させることができるので、エンジン１００が始動した直後であっても、ＰＭの発生を抑制できる。

（１－２）本実施形態とは異なり、シリンダ壁１２に沿って延びる抵抗発熱体を有するヒータ４０をシリンダブロック１０が備える比較例が考えられる。当該比較例では、シリンダ壁１２を加熱する実効性を確保する観点から抵抗発熱体をシリンダ壁１２に密着させる必要がある。しかしながら、抵抗発熱体をシリンダ壁１２に密着させることは困難である。当該困難は、シリンダ壁１２は鋳物であるので多数の凹凸を有していることに起因する。これに対し、本実施形態では、シリンダブロック１０は、シリンダ壁１２に沿って延びる誘導コイル４２を有するヒータ４０を備える。誘導コイル４２はシリンダ壁１２に密着させなくても、シリンダ壁１２に十分な渦電流を発生させることができる。このため、誘導コイル４２はシリンダ壁１２に密着していなくてもよい。このため、比較例と比べて本実施形態のエンジン１００は、製造容易である。

（１－３）抵抗発熱体をヒータ４０が有する上記比較例では、抵抗発熱体からシリンダ壁１２へと伝熱する必要がある。これに対し、上記実施形態では、シリンダ壁１２自体を加熱できる。これは、抵抗発熱体からシリンダ壁１２への伝熱が不要なので、昇温効率が優れていることを意味する。

（１－４）抵抗発熱体をヒータ４０が有する上記比較例では、抵抗発熱体を構成する線と線との間に線がないことに起因して、加熱しにくいシリンダ壁１２の領域が生じやすい。これに対し、上記実施形態では、誘導コイル４２がシリンダ壁１２に渦電流を発生させることができるので、シリンダ壁１２の広い領域を加熱しやすい。

（１－５）本実施形態では、誘導コイル４２は第２流路２４に配置されている。複数のインジェクタ３０の各々は、第２の側２ｎｄＳＤに向いている。このため、燃料が付着しやすいシリンダライナ１４の部位を加熱しやすくなる。このため、シリンダライナ１４に付着した燃料を十分に気化させやすくなる。これにより、ＰＭの発生を抑制しやすくなる。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態に係るエンジンについて、図面を参照して説明する。第１及び第２実施形態に係るエンジン１００において共通する構成については説明を省略する。

図１に示す上記第１の実施形態に係るエンジン１００では、シリンダライナ１４は、全体において鉄材料から形成されている。シリンダブロック１０は、シリンダライナ１４以外はアルミ材料から形成されている。これに対し、図４に示す第２の実施形態に係るエンジン１００では、シリンダ壁１２及びシリンダライナ１４は、全体において鉄材料から形成されている。シリンダブロック１０は、シリンダ壁１２及びシリンダライナ１４以外はアルミ材料から形成されている。

＜第２の実施形態の効果＞
第２実施形態に係るエンジン１００によれば、上記（１－１）～（１－５）に記載した効果に加えて以下の効果が得られる。

（２－１）一般的には、シリンダブロック１０は、軽量化を目的としてアルミ材料から形成されることが知られている。また、一般的に、シリンダライナ１４は、耐久性の確保を目的として鉄材料から形成されることが知られている。

これに対し、第２の実施形態では、シリンダ壁１２及びシリンダライナ１４は、全体において鉄材料から形成されている一方、シリンダブロック１０は、シリンダ壁１２及びシリンダライナ１４以外はアルミ材料から形成されている。第２の実施形態とは異なり、第１の実施形態ではシリンダ壁１２が、アルミ材料から形成されている。

誘導コイル４２が、所与の周波数を有する交流磁場をシリンダ壁１２にかける場合を想定する。シリンダ壁１２がアルミ材料から形成されている場合に流れる渦電流の大きさは、シリンダ壁１２が鉄材料から形成されている場合に流れる渦電流の大きさと同じである。渦電流の大きさは、交流磁場の周波数に正比例して増大する。

鉄材料の体積抵抗率は、アルミ材料の体積抵抗率の約４培である。このため、第２の実施形態と同程度のジュール熱を発生させるためには、第１の実施形態では周波数を約４培に増大させる必要がある。第２の実施形態では、比較的低い周波数の交流電流を誘導コイル４２に流すことでシリンダ壁１２を誘導加熱できる。このため、第２の実施形態によれば、高周波の交流電流を発生するコストが高いヒータ４０が不要となる。したがって、第２の実施形態によれば、ヒータ４０に要するコストを減らすことができる。

（２－２）アルミ材料は非磁性体である。このため、第１の実施形態では、シリンダ壁１２を誘導加熱するために、高周波の交流電流を誘導コイル４２に流す必要がある。これに対し、第２の実施形態では、磁性体である鉄材料からシリンダ壁１２が形成されている。このため、比較的低い周波数の交流電流を誘導コイル４２に流すことでシリンダ壁１２を誘導加熱できる。このため、第２の実施形態によれば、高周波の交流電流を発生するコストが高いヒータ４０が不要となる。したがって、第２の実施形態によれば、ヒータ４０に要するコストを減らすことができる。

（２－３）一般的に、交流磁場の周波数が高くなるに連れて、交流磁場が加えられる対象の表面により近い部位に渦電流が流れるようになる。これは、一般に表皮効果と呼ばれている。

誘導コイル４２、シリンダ壁１２、及びシリンダライナ１４が、この順で並んでいる。上述したように、シリンダライナ１４に付着した燃料を十分に気化させることができるようにシリンダライナ１４を加熱することが望まれている。このため、交流磁場の周波数が高くなることは、加熱が望まれているシリンダライナ１４から、より離れた部位が加熱されやすくなることを意味する。これは、シリンダライナ１４を加熱しにくくなることを意味する。上記第２の実施形態によれば、交流磁場の周波数を低めに設定できる。このため、上記第２の実施形態によれば、表皮効果の影響を小さくできる。これは、シリンダライナ１４を加熱しやすくなることを意味する。

（変更例）
上記第１及び第２の実施形態に共通して変更可能な要素としては次のようなものがある。以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・シリンダブロック１０は、全体において鉄材料から形成されていてもよい。
・上記第１及び第２の実施形態では、第２流路２４のみに誘導コイル４２が設けられている。これに加えて又は代えて、誘導コイル４２とは別の誘導コイルが、第１流路２２に設けられていてもよい。

１０…シリンダブロック
１２…シリンダ壁
１４…シリンダライナ
１６…シリンダ
２０…ウォータジャケット
２２…第１流路
２４…第２流路
３０…インジェクタ
４０…ヒータ
４２…誘導コイル
１００…エンジン

Claims (4)

1. エンジンであって、
   シリンダ壁及び、前記シリンダ壁の内側に位置し、かつ、前記シリンダ壁に連続するシリンダライナを有するシリンダブロックと、
   前記シリンダブロック内において前記シリンダ壁に沿って延びるウォータジャケット内に配置され、かつ、前記シリンダ壁に沿って延びる誘導コイルを有するヒータと、を備え、
   前記ヒータは、前記誘導コイルに流れる交流電流によって前記シリンダ壁に渦電流を発生させることにより前記シリンダ壁を加熱するように構成されている、
   エンジン。
2. 前記シリンダ壁及び前記シリンダライナは、全体において鉄材料から形成されている一方、前記シリンダブロックは、前記シリンダ壁及び前記シリンダライナ以外はアルミ材料から形成されている、
   請求項１に記載のエンジン。
3. 前記シリンダ壁及び前記シリンダライナがシリンダを構成し、前記シリンダは、前記シリンダブロックが有する複数のシリンダのうちの１つであり、
   前記複数のシリンダは一列に並んでおり、前記複数のシリンダの複数の中心軸線は前記シリンダブロックの１つの断面上にあり、
   前記ウォータジャケットは、前記断面に対する第１の側に位置する第１流路と、前記断面に対する第２の側に位置する第２流路とからなり、前記第１の側と前記第２の側は前記断面を挟んで互いに反対であり、
   前記第１流路と前記第２流路との各々は、前記複数のシリンダに跨って延びており、
   前記誘導コイルは前記第２流路に配置されている、
   請求項１又は２に記載のエンジン。
4. 前記複数のシリンダ内にそれぞれ燃料を噴射するように構成された複数のインジェクタを備え、
   前記複数のインジェクタの各々は、前記第２の側に向いている、
   請求項３に記載のエンジン。

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