(57)【要約】【課題】ポート噴射式の内燃機関において、インジェクタから噴射する燃料が液状となって付着する量を減らし、その気化を促進する。【解決手段】インジェクタ１１から気筒１の吸気ポートに向けて燃料を噴射するポート噴射式の内燃機関にあって、吸気通路３または吸気ポートの内壁面における、インジェクタ１１から噴出した燃料が液状となって付着し得る箇所にプラズマアクチュエータ１０を設けた。プラズマアクチュエータ１０は、インジェクタ１１から燃料を噴射するタイミングに合わせて、液状燃料が付着し得る箇所に吸気の強い流れ４０を発生させる。これにより、燃料が当該箇所に付着することが抑制され、吸気と燃料とがよく混ざり合い、燃料の蒸発、気化が促進される。【選択図】図２
2020139409.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インジェクタから気筒の吸気ポートに向けて燃料を噴射するポート噴射式の内燃機関であって、
吸気通路または吸気ポートの内壁面における、インジェクタから噴出した燃料が液状となって付着し得る箇所にプラズマアクチュエータを設けた内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両等に搭載されるポート噴射式の内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知の通り、ポート噴射式の内燃機関（例えば、下記特許文献を参照）では、インジェクタから気筒の吸気ポートに向けて燃料を噴射し、燃料を予め吸気通路を流れる吸入空気と予混合して気化させた上で、気筒の燃焼室に吸引させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１８３５８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ポート噴射式の内燃機関にあっては、インジェクタから噴射した液状燃料が吸気通路または吸気ポートの内壁面や吸気バルブの弁体の傘部等に付着するポートウェットが発生する。そして、そのポートウェットの燃料が、気化せず液相のままで気筒の燃焼室内に流下することが起こり得る。
【０００５】
燃焼室内で液相を保っている燃料の液滴はプール燃焼を生じさせ、または蒸し焼きのような様相を呈し、粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｍａｔｔｅｒ）を生成したり、局所的に空燃比をリッチ化させたりして、エミッションの悪化を招く。
【０００６】
液状燃料の付着を抑制するべく、インジェクタを気筒の吸気ポートから遠ざけると、吸気ポート近傍の実効的な流路断面積が増大し、吸気行程により燃焼室に生じる筒内流、即ちタンブル流やスワール流が弱体化する副作用が生じる。加えて、インジェクタから噴射した燃料の気化による吸気ポート近傍の温度降下作用も低減し、それらの帰結として燃費性能の低下を招きかねない。
【０００７】
本発明は、ポート噴射式の内燃機関において、インジェクタから噴射する燃料が液状となって付着する量を減らし、その気化を促進することを所期の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するべく、本発明では、インジェクタから気筒の吸気ポートに向けて燃料を噴射するポート噴射式の内燃機関にあって、吸気通路または吸気ポートの内壁面における、インジェクタから噴出した燃料が液状となって付着し得る箇所にプラズマアクチュエータを設けることとした。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ポート噴射式の内燃機関において、インジェクタから噴射する燃料が液状となって付着する量を減らし、その気化を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態における内燃機関及び制御装置の概略構成を示す図。
【図２】同実施形態の内燃機関の一つの気筒の吸気通路、インジェクタ、吸気ポート及び燃焼室を示す側断面図。
【図３】同実施形態の内燃機関の一つの気筒の吸気通路、インジェクタ、吸気ポート及び燃焼室を模式的に示す平面図。
【図４】同実施形態の内燃機関に適用されるプラズマアクチュエータの一例を示す側断面図。
【図５】同実施形態の内燃機関に適用されるプラズマアクチュエータの一例を示す側断面図。
【図６】同実施形態の内燃機関に適用されるプラズマアクチュエータの一例を示す側断面図。
【図７】同実施形態の内燃機関に適用されるプラズマアクチュエータの一例を示す側断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の４ストロークガソリンエンジンであり、複数の気筒１（例えば、三気筒。図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。４ストロークエンジンでは、気筒１の吸気行程−圧縮行程−膨脹行程−排気行程の一連を一サイクルとする。
【００１２】
各気筒１の吸気バルブ１３よりも上流、各気筒１に連なる吸気ポートの近傍には、吸気ポートに向けて燃料を噴射するインジェクタ１１を設ける。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起こすものである。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。
【００１３】
吸気を気筒１に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。
【００１４】
排気を気筒１から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ことで生じる排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。
【００１５】
排気ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものであり、排気通路４における触媒４１の上流側と吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流側とを連通する外部ＥＧＲ通路２１と、ＥＧＲ通路２１上に設けたＥＧＲクーラ２２と、ＥＧＲ通路２１を開閉し当該ＥＧＲ通路２１を流れるＥＧＲガスの流量を制御するＥＧＲバルブ２３とを要素とする。ＥＧＲ通路２１の入口は、排気通路４における排気マニホルド４２またはその下流の所定箇所に接続している。ＥＧＲ通路２１の出口は、吸気通路３におけるスロットルバルブ３２の下流の所定箇所、特にサージタンク３３に接続している。
【００１６】
内燃機関には、各気筒１の吸気バルブ１３の開閉タイミングを変化させることのできるＶＶＴ機構５が付随することがある。ＶＶＴ機構５は、例えば、各気筒１の吸気バルブ１３を駆動するカムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を作動液圧（潤滑油圧）や電動機によって変化させ、以て吸気バルブ１３の開閉タイミングを進角／遅角するものである。カムシャフトは、内燃機関の出力軸であるクランクシャフトからエンジントルクの供給を受け、クランクシャフトに従動して回転する。クランクシャフトとカムシャフトとの間には、トルクを伝達するための巻掛伝動装置（図示せず）が介在している。巻掛伝動装置は、クランクシャフト側に設けたクランクスプロケット（または、プーリ）と、カムシャフト側に設けたカムスプロケット（または、プーリ）と、これらスプロケット（または、プーリ）に巻き掛けるタイミングチェーン（または、タイミングベルト）とを要素とする。ＶＶＴ機構５は、カムシャフトをカムスプロケットに対し相対的に回動させることを通じて、カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を変化させ、以て吸気バルブ１３の開閉タイミングを変更する。
【００１７】
なお、ＶＶＴ機構５の具体的態様は任意であり、一意に限定されない。カムシャフトのクランクシャフトに対する回転位相を進角／遅角させるもの以外にも、吸気バルブ１３を開弁駆動するカムを複数用意しておきそれらカムを適宜使い分けるもの、ロッカーアームのレバー比を電動機を介して変化させるもの、吸気バルブ１３を電磁ソレノイドバルブとしたもの等が知られており、それら種々の機構の中から選択して採用することが許される。
【００１８】
本実施形態の内燃機関の制御装置たるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）０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。ＥＣＵ０は、複数基のＥＣＵまたはコントローラが、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の電気通信回線を介して相互に通信可能に接続されてなるものであることがある。
【００１９】
ＥＣＵ０の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エンジン回転数を検出するクランク角センサから出力されるクランク角信号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、要求されるエンジン負荷率）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、内燃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ｄ、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ｅ、ブレーキペダルが踏まれていることまたはブレーキペダルの踏込量を検出するセンサ（ブレーキスイッチやマスタシリンダ圧センサ等）から出力されるブレーキ信号ｆ、吸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、大気圧を検出する大気圧センサから出力される大気圧信号ｈ等が入力される。
【００２０】
ＥＣＵ０の出力インタフェースからは、火花点火装置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（開弁）信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、ＥＧＲバルブ２３に対して開度操作信号ｌ、ＶＶＴ機構５に対して吸気バルブタイミングの制御信号ｍ等を出力する。
【００２１】
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の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、現在の内燃機関の運転領域［エンジン回転数，アクセル開度（または、サージタンク３３内吸気圧、気筒１に吸入される空気（新気）量）］を知得する。そして、吸入空気量に見合った要求燃料噴射量、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、要求ＥＧＲ率（または、ＥＧＲガス量）、吸気バルブ１３の目標開閉タイミング等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌ、ｍを出力インタフェースを介して印加する。
【００２２】
また、ＥＣＵ０は、停止した内燃機関を始動（冷間始動であることもあれば、アイドルストップからの再始動であることもある）するにあたり、電動機（スタータモータまたはＩＳＧ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｓｔａｒｔｅｒ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ））を稼働させるための制御信号ｏを電動機に入力し、当該電動機によりクランクシャフトを回転駆動するクランキングを行う。内燃機関の始動のためのクランキングは、内燃機関が初爆から連爆へと至り、加速するエンジン回転数が完爆判定値を超えたときに、完爆したものと見なして終了する。クランキングの終了条件となる完爆判定値は、内燃機関の冷却水温が低いほど高く設定する。
【００２３】
図２及び図３に示すように、本実施形態の内燃機関には、気筒１の吸気行程中に吸気ポート近傍及び燃焼室内に生じる気流を操作するための流動制御装置１０を設けている。本実施形態における流動制御装置は、プラズマアクチュエータ１０を用いたものである。プラズマアクチュエータ１０は、誘電体２０３を挟んで対をなす電極２０１、２０２を配置し、電極２０１、２０２間に交流電圧またはパルス電圧を印加することで、誘電体２０３の表面側の電極２０１近傍にプラズマ０及び気体の流れ４０を生じさせる。
【００２４】
図４ないし図７に示すように、本実施形態におけるプラズマアクチュエータ１０は、上側電極２０１及び下側電極２０２の対と、これら電極間に挟まれる誘電体２０３とを要素とするユニット２０を複数個、一定方向に沿って間欠的に配列してなる。
【００２５】
上側電極２０１は、前後方向（ユニット２０の配列方向。図中横方向）に沿った幅寸法が下側電極２０２のそれよりも小さい。また、上下方向（電極２０１、２０２が誘電体２０３を挟む方向、または誘電体２０３の表面の法線方向。図中縦方向）の厚みも小さく薄い。各ユニット２０の上側電極２０１は、誘電体２０３の表面に露出させる、または、下側電極２０２と比べてより誘電体２０３の表面に近い位置に配置する。後者の場合、上側電極２０１にプラズマ生成を妨げないコーティングを施すか、若しくは図６に示しているように、上側電極２０１を誘電体２０３の（プラズマ０が生成される）表面下に埋設するようにして、上側電極２０１を直接気流に触れさせないようにすることができる。
【００２６】
下側電極２０２は、上側電極２０１と比較して前後方向に大きく拡張する。各ユニット２０の下側電極２０２は、図４及び図６に示しているように誘電体２０３の裏面に露出させてもよく、図５及び図７に示しているように誘電体２０３内に埋設してもよい。下側電極２０２は、同じユニット２０を構成する上側電極２０１に対して前方に偏倚した位置にある。即ち、下側電極２０２の直上に上側電極２０１は存在していない。
【００２７】
誘電体２０３は、典型的には樹脂やセラミックである。誘電体材料としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド等のポリマー系絶縁体や、アルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素等のセラミック系絶縁体を採用することが好適である。
【００２８】
各ユニット２０の上側電極２０１と、当該ユニット２０と隣り合う他のユニット２０の下側電極２０２との間には、遮蔽部３０を設ける。遮蔽部３０は、一のユニット２０の上側電極２０１と、他のユニット２０の下側電極２０２との間でプラズマが生成されるのを阻害する役割を担う。遮蔽部３０は、誘電体材料を主体とし、各ユニット２０の上側電極２０１の後背にあって、電極２１、２２が挟んでいる誘電体２０３の表面から、少なくとも上側電極２０１の上面と略同じ高さまで迫り出している。図４、図５及び図７に示しているものでは、遮蔽部３０の高さが上側電極２０１の上面を越えており、また、遮蔽部３０が上側電極２０１の上面の一部に覆い被さっている。図６に示しているものでは、遮蔽部３０の高さが上側電極２０１の上面と略面一となっており、下側電極２０２の直上にある誘電体２０３の表面とがなだらかに連続している。
【００２９】
プラズマアクチュエータ１０を用いるに際しては、各ユニット２０の上側電極２０１及び下側電極２０２間に、例えば１ｋＶないし１０ｋＶ程度の高圧、１ｋＨｚないし２０ｋＨｚ程度の周波数の、脈流電圧（直流パルス電圧）または交流電圧を印加する。印加電圧及び周波数は、電極２０１、２０２の寸法や電極２０１、２０２間の距離、誘電体２０３の誘電率等に応じて定める。
【００３０】
両電極２０１、２０２間に電圧を印加すると、下側電極２０２の直上にある誘電体２０３の表面にプラズマ０が生成され、このプラズマ０に起因して、誘電体２０３の表面上に気流４０が発生する。気流４０は、同一のユニット２０を構成する上側電極２０１から下側電極２０２に向かう方向に、換言すれば後方から前方に向かって流れる。プラズマ０を生成するユニット２０が前後方向に並んでいることから、誘電体２０３の表面上を流れる気流４０は、あるユニット２０から別のユニット２０へと伝搬してゆくにつれて加速され、強化される。
【００３１】
本実施形態では、このようなプラズマアクチュエータ１０を、内燃機関の吸気通路３ないし気筒１の吸気ポートにおける、インジェクタ１１から噴出する燃料が液状となって付着し得る箇所に設ける。具体的には、図２に示すように、インジェクタ１１が指向する先にある、吸気通路３及び／または吸気ポートの内壁面の所定箇所に、プラズマアクチュエータ１０を設置する。
【００３２】
加えて、図３に示すように、一つの気筒１に複数の吸気ポートが開設され、吸気通路３の終端部が枝分かれして各吸気ポートに連接しているような場合、インジェクタ１１から噴射した燃料がその枝分かれする吸気通路３の叉の箇所に付着し得る。そこで、この叉の内壁面に、プラズマアクチュエータ１０を設置する。
【００３３】
しかして、これらプラズマアクチュエータ１０は、インジェクタ１１から燃料を噴射するタイミングに合わせて電圧の印加を受け、液状燃料が付着し得る上記の箇所に、燃焼室の内奥に向かう方向の吸気の強い流れ４０を発生させる。これにより、インジェクタ１１から噴出し当該箇所に向かう燃料が液状となって当該箇所に付着することが抑制され、吸気と燃料とがよく混ざり合い、燃料の蒸発、気化が促進される。
【００３４】
液状燃料の問題は、特に、冷間始動直後の時期のような、内燃機関の温度が比較的低い状況下にて顕在化する。当然ながら、内燃機関が低温であるほど、付着した液状燃料が気化しにくい。既に暖機が完了しており内燃機関が十分に高温であるならば、液状燃料が一旦付着したとしてもそれは容易に気化する。
【００３５】
よって、プラズマアクチュエータ１０は、内燃機関の冷却水温が所定値以下の低温時や、エンジン回転数が所定値以下の低回転時に限り作動させる、即ち燃料噴射タイミングに合わせて電極２０１、２０２に電圧を印加することとし、さもなくばプラズマアクチュエータ１０を作動させない、即ち燃料噴射タイミングに合わせて電極２０１、２０２に電圧を印加しないこととすることが好ましい。さすれば、無駄な電力の浪費を避けることができる。
【００３６】
なお、プラズマアクチュエータ１０が生成する気流４０は、液状燃料の付着量を低減するのみならず、気筒１の吸気行程により燃焼室内で生じる筒内流、例えば気筒１の（ピストンの進退方向に沿った）中心軸に対して平行な面に沿った縦の旋回気流であるタンブル流や、気筒１の中心軸を取り巻くような旋回気流であるスワール流を増強する機能をも発揮し得る。そこで、内燃機関の冷却水温が既に所定値を上回っているとしても、低回転かつ比較的高負荷の運転領域では、プラズマアクチュエータ１０を作動させて筒内流、特にタンブル流の増強を図ることが考えられる。
【００３７】
また、図３に示している、気筒１の二つの吸気ポートに向けて枝分かれする吸気通路３の各々の内壁面に設置した複数のプラズマアクチュエータ１０のうちの一方のみを作動させることで、一方の吸気ポート側でのみ気流４０を発生させ他方の側では気流４０を発生させないようにして、スワール流の増強を図ることも可能である。
【００３８】
本実施形態では、インジェクタ１１から気筒１の吸気ポートに向けて燃料を噴射するポート噴射式の内燃機関にあって、吸気通路３または吸気ポートの内壁面における、インジェクタ１１から噴出した燃料が液状となって付着し得る箇所にプラズマアクチュエータ１０を設けた。
【００３９】
本実施形態によれば、インジェクタ１１から噴射する燃料が液状となって付着する量を減らし、その気化を促進することができる。とりわけ、内燃機関の温度が低い状況下において、大きな液相燃料の液滴が気筒１の燃焼室内に侵入することが抑止される。従って、気化せず液相のまま溜まった燃料が燃焼室内でプール燃焼することが防止され、ＰＭの生成量を削減できる。加えて、燃焼室内で局所的に空燃比がリッチ化することも避けられる。その帰結として、ＰＭやＨＣ、ＣＯ等の有害物質の排出量を低減でき、エミッションの良化が達成される。ＰＭの生成を効果的に抑制できることから、内燃機関の排気通路４にＰＭ捕集用のフィルタ等を装着する必要がなく、ハードウェアの肥大化やコストの高騰を招来しない。フィルタを装着することに伴う背圧の増大、及びこれに起因する内燃機関の性能の低下も避けられる。
【００４０】
プラズマアクチュエータ１０は、気筒１に流入する混合気の整流作用を営み、タンブル流及び／またはスワール流の制御または強化にも寄与し得る。そして、燃料の気化が促進される上に燃料と吸入空気とが均質に混ざり合うことから、燃焼効率が向上し、内燃機関の燃費性能の向上に奏効する。
【００４１】
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、吸気ポート及び吸気バルブ１３の弁体の径を、従前よりも拡大してもよい。また、吸気通路３、吸気ポートまたは燃焼室の天井部の形状を、インジェクタ１１から噴出する液状燃料の霧の拡散範囲とできるだけ重ならないような（これを避けるような）形状に成形してもよい。吸気ポートの内壁面や燃焼室の天井部に、加温して液状燃料の気化を促進するヒータ等を付設してもよい。
【００４２】
その他、各部の具体的構成は、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】
【００４３】
本発明は、車両等に搭載される内燃機関に適用することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１…気筒
１０…プラズマアクチュエータ
１３…吸気バルブ
３…吸気通路
４０…気流
【図１】
2020139409.tif 000003
【図２】
2020139409.tif 000004
【図３】
2020139409.tif 000005
【図４】
2020139409.tif 000006
【図５】
2020139409.tif 000007
【図６】
2020139409.tif 000008
【図７】
2020139409.tif 000009