(57)【要約】【課題】効率的に乱流運動エネルギーを向上させることができる内燃機関を提供する。【解決手段】燃焼室１０に繋がる吸気ポート３と排気ポート４を備える内燃機関１であって、吸気ガスを帯電させる帯電機構６と、燃焼室１０に電界を発生させる電極部材３０，４０と、圧縮工程の後期に、電極部材３０，４０に電圧を印加させ、燃焼室１０内の帯電した吸気ガスに運動エネルギーを付与する印加時期制御機構９と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に繋がる吸気ポートと排気ポートを備える内燃機関であって、
吸気ガスを帯電させる帯電機構と、
前記燃焼室に電界を発生させる電極部材と、
圧縮工程の後期に、前記電極部材に電圧を印加させ、前記燃焼室内の帯電した前記吸気ガスに運動エネルギーを付与する印加時期制御機構と、を備える内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両の内燃機関では、吸気ポートから吸気された吸気ガスが燃焼室で燃焼され、その燃焼エネルギーがピストンの往復運動に変換される。ピストンの往復運動はクランクシャフトの回転運動に変換され、車両が動作する。燃焼後のガス（排気ガス）は、燃焼室に繋がる排気ポートから排気される。
【０００３】
内燃機関の燃費を向上させるには、燃焼室内の乱流運動エネルギー（ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ  ｋｉｎｅｔｉｃ  ｅｎｅｒｇｙ）を向上させ、燃料と酸素とを十分に混合することが効果的である。乱流運動エネルギーを向上させるには、勢いのあるタンブル渦（ピストンの軸線に直交する軸回りに旋回する渦）の生成と、燃焼室を周回したタンブル渦が圧縮過程の後期に燃焼室内で潰れることが重要である。
【０００４】
一方、環境に対する負荷軽減の観点から、ＮＯｘ生成量を低減する技術として排気ガス再循環機構（Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：ＥＧＲ）が注目されている。排気ガス再循環機構は、燃焼室から排出された排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気系に戻すＥＧＲ通路を備える。燃焼室にＥＧＲガスを導入することで、燃焼室の酸素量が減り、燃焼温度が低下するので、ＮＯｘの生成量が低減される。
【０００５】
ＥＧＲを採用する場合、吸気ポートに合流するＥＧＲ通路からのＥＧＲガスが新気の流れを弱め、タンブル渦の勢いが減じられる。この問題点に鑑み、特許文献１では、吸気ポートの内部にタンブルコントロール弁を設け、そのタンブルコントロール弁の内部にＥＧＲ通路を設定している。このような構成とすることで、タンブルコントロール弁によって新気を整流し、かつその新気の流れに沿うようにＥＧＲガスを導入することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−２１７２４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１の構成は、タンブルコントロール弁によって吸気ポートの流路断面積を狭くすることで、燃焼室に勢い良く吸気ガスを導入している。そのため、特許文献１の構成では、タンブル渦の勢いは強まるものの、ポンピングロスが大きくなるため、当該構成における燃費の向上効果は限定的である。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、効率的に乱流運動エネルギーを向上させることができる内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、タンブル渦の勢いを強くするのではなく、燃焼室を周回したタンブル渦が圧縮工程の後期に燃焼室内で潰れるようにすることで、乱流運動エネルギーを向上させる構成を検討した。その検討の結果、以下に示す内燃機関を完成させた。
【００１０】
本発明の一形態に係る内燃機関は、
燃焼室に繋がる吸気ポートと排気ポートを備える内燃機関であって、
吸気ガスを帯電させる帯電機構と、
前記燃焼室に電界を発生させる電極部材と、
圧縮工程の後期に、前記電極部材に電圧を印加させ、前記燃焼室内の帯電した前記吸気ガスに運動エネルギーを付与する印加時期制御機構と、を備える。
【００１１】
ここで、上記吸気ガスは、ポート噴射式内燃機関の場合は新気と燃料の混合気であり、筒内噴射式内燃機関の場合は新気である。また、ＥＧＲを採用した内燃機関の場合、吸気ガスはＥＧＲガスを含む混合気または新気である。
【発明の効果】
【００１２】
上記構成によれば、圧縮工程の後期にタンブル渦を乱し、潰すことができ、燃焼室内の乱流運動エネルギーを向上させることができる。その結果、内燃機関の燃費を向上させることができる。また、上記構成では、印加時期制御機構によって、吸気ガスに運動エネルギーを付与するタイミングを細かく調整することができるので、内燃機関の稼働状態に応じた適切なタイミングでタンブル渦を乱し、潰すことができる。
【００１３】
上記構成は、ＥＧＲを採用した内燃機関に適用することもでき、その場合においても、燃焼室の混合気の乱流運動エネルギーを向上させ、内燃機関の燃費を向上させることができる。また、ＥＧＲを採用した場合、点火プラグの近傍のＥＧＲガスの濃度が高いと失火の恐れがあるが、上記構成では高い乱流運動エネルギーのためにＥＧＲガスが分散しているため失火の可能性が極めて低い。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態１に係る内燃機関の概略構成図である。
【図２】帯電機構の概略構成図である。
【図３】燃焼室にＥＧＲガス層が形成される様子を示す概略説明図である。
【図４】実施形態２に係る内燃機関の概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の内燃機関の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、本発明は、これらの例示に限定されず、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００１６】
＜実施形態１＞
図１の概略構成図に示すように、内燃機関１は、シリンダブロック１１とピストン１２の頂面とシリンダヘッド１３とで構成される燃焼室１０で燃料を燃焼させることで、ピストン１２を往復させ、そのピストン１２の往復運動を図示しないクランクシャフトで回転運動に変換する熱機関である。この内燃機関１は、燃焼室１０の内部に吸気ガスを導入する吸気ポート３と、燃料を含む吸気ガスに点火する点火プラグ２と、燃焼室１０から排気ガスを排出する排気ポート４と、を備える。点火プラグ２の点火は、点火制御機構７によって制御される。吸気ポート３には、燃料を噴射するインジェクタ３１が設けられている。インジェクタ３１は燃焼室１０に露出するように設けられていても良い。本例の内燃機関１はさらに、排気ガスの一部を吸気系に戻す排気ガス再循環機構（ＥＧＲ）５を備える。
【００１７】
排気ガス再循環機構５は、ＥＧＲ通路５０とＥＧＲバルブ５１とを備える。ＥＧＲ通路５０は、排気ポート４と吸気ポート３とに連通され、燃焼室１０から排出された排気ガスの一部をＥＧＲガス５ｇとして吸気系に戻す。ＥＧＲバルブ５１は、吸気系に導入するＥＧＲガス５ｇの量を調整する。
【００１８】
上記構成に加え、本例の内燃機関１は、圧縮工程の後期に燃焼室１０内のタンブル渦を乱し、乱流運動エネルギーを向上させる構成を備える。乱流運動エネルギーを向上させる構成として、吸気ガスを帯電させる帯電機構６と、燃焼室１０に電界を発生させる電極部材と、電極部材への電圧の印加を制御する印加時期制御機構９と、が挙げられる。
【００１９】
≪帯電機構≫
本例の帯電機構６は、ＥＧＲ通路５０に設けられ、ＥＧＲガス５ｇを正または負に帯電させる。帯電機構６は、図２に示すように、電極６０と絶縁体６１と外筒６２とを備える。電極６０は、その一端がＥＧＲ通路５０内に露出し、他端が後述する印加機構８（図１）に繋がっている。外筒６２は、帯電機構６をＥＧＲ通路５０に固定する支持体であり、絶縁体６１は、電極６０とＥＧＲ通路５０とを絶縁する。
【００２０】
図１に示すように、帯電機構６には印加機構８が繋がっている。印加機構８は、電源８０と、ＤＣ−ＤＣコンバータ８１と、Ｈブリッジ８２と、昇圧トランス８３とを備える。本例の電源８０は、車両に搭載されるバッテリである。ＤＣ−ＤＣコンバータ８１は、電源８０が提供する直流電圧を昇圧し、Ｈブリッジ８２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ８１が出力する直流を交流に変換する。昇圧トランス８３は、Ｈブリッジ８２が出力する交流を昇圧する。
【００２１】
昇圧トランス８３から延びる配線の一つは、上述した帯電機構６に繋がっている。図２に示すように、交流電圧が印加される帯電機構６によってＥＧＲ通路５０を通過するＥＧＲガス５ｇに正または負の電荷を帯電させることができる。帯電機構６に繋がる配線にはスイッチ８４が設けられており、必要に応じてＥＧＲガス５ｇに電荷を帯電させることができる。
【００２２】
≪電極部材≫
本例では、吸気バルブ３０と排気バルブ４０を電極部材として利用している。吸気バルブ３０と排気バルブ４０は、その一部が燃焼室１０に露出しているため、両バルブ３０，４０に電圧を印加することで、燃焼室１０内の全体に電界を発生させることに好適である。両バルブ３０，４０への電圧の印加は、上述した印加機構８からの電力によって行なう。具体的には、昇圧トランス８３から延びる配線が、スイッチ８５を介して吸気バルブ３０と排気バルブ４０に繋がっており、スイッチ８５をＯＮにすることで、吸気バルブ３０と排気バルブ４０に交流電圧を印加させることができる。
【００２３】
ここで、図３に示すように、両バルブ３０，４０はシリンダヘッド１３に設けられている。シリンダヘッド１３は接地電位になっているため、両バルブ３０，４０とシリンダヘッド１３とは絶縁する必要がある。本例では、両バルブ３０，４０のステム部（軸状の部分）うち、シリンダヘッド１３と接触する部分には絶縁体３０Ａ，４０Ａが設けられている。また、シリンダヘッド１３のうち、両バルブ３０，４０のフェース部（傘状の部分）に接触するバルブシートが絶縁体３０Ｂ，４０Ｂで構成されている。絶縁体３０Ａ，３０Ｂ，４０Ａ，４０Ｂを設けることで、両バルブ３０，４０を所定の電圧に保持でき、燃焼室１０内に電界を発生させることができる。絶縁体３０Ａ，３０Ｂ，４０Ａ，４０Ｂの材質としては、例えばセラミックスを利用することができる。
【００２４】
≪印加時期制御機構≫
印加時期制御機構９は、車両に搭載されるコンピュータ（ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｕｎｉｔ）の一部で構成され、スイッチ８５のＯＮ／ＯＦＦのタイミングを制御する。スイッチ８５をＯＮにするタイミングは、ピストン１２による圧縮工程の後期（ピストン１２の下死点から上死点までの間の後半）である。より具体的には、ピストン１２の圧縮によって燃焼室１０のタンブル渦が崩壊し始めてから点火プラグ２の着火までの間に、スイッチ８５をＯＮにして、両バルブ３０，４０に交流電圧を印加させる。スイッチ８５をＯＮにするタイミングは、予め試験によって求めたルックアップテーブルに基づいて決定すると良い。例えば、クランクシャフトの回転数や燃料の噴射量が所定範囲であれば、点火プラグ２の点火のＸミリ秒前に、スイッチ８５をＯＮにする、といった制御を行なうことが挙げられる。
【００２５】
印加時期制御機構９は、スイッチ８５に加えて、帯電機構６のＯＮ／ＯＦＦを制御するスイッチ８４を制御しても良い。スイッチ８４のＯＮ／ＯＦＦのタイミングを細かく制御することで、電力消費を最適化することができる。
【００２６】
≪動作手順≫
以上説明した構成を備える内燃機関１を用いて燃焼室１０にＥＧＲガス５ｇを導入する場合、図１のＥＧＲバルブ５１を空けると共に、図２に示すように帯電機構６によってＥＧＲガス５ｇを帯電させる。図１の吸気バルブ３０が開き、吸気ガス（混合気とＥＧＲガス５ｇを含む）が燃焼室１０に導入され、吸気ガスがタンブル渦を形成する。
【００２７】
次いで、図３に示すように、ピストン１２が上昇し、二点鎖線で示すタンブル渦が潰れるタイミングで、印加時期制御機構９（図１）がスイッチ８５（図１）をＯＮにする。その結果、両バルブ３０，４０に交流電圧が印加され、吸気ガスに含まれるＥＧＲガス５ｇ（図１）に運動エネルギーが付与される。図３の白抜き矢印に示すように、ＥＧＲガス５ｇ（図１）には引力と斥力とが交互に作用し、燃焼室１０内の吸気ガスの流れが複雑に乱れ、乱流運動エネルギーが向上する。そのため、点火プラグ２を点火したときに、効率的に燃料が燃焼され、車両の燃費が向上する。
【００２８】
また、本例の構成では、乱流運動エネルギーの向上に伴い、ＥＧＲガス５ｇ（図１）が燃焼室１０全体に分散するため、点火プラグ２の近傍のＥＧＲガス５ｇの濃度が高くなり過ぎることがない。そのため、酸素を殆ど含まないＥＧＲガス５ｇによって生じる失火を抑制することができる。
【００２９】
＜実施形態２＞
実施形態１では、吸気バルブ３０と排気バルブ４０を電極部材として利用したが、両バルブ３０，４０とは別に電極部材を設けても構わない。例えば、シリンダブロック１１の側壁や、シリンダヘッド１３に電極部材を配置し、燃焼室１０内に電界を発生させることが挙げられる。
【００３０】
＜実施形態３＞
実施形態１では、ＥＧＲ通路５０に帯電機構６を設けたが、図４に示すように吸気ポート３に帯電機構６を設けても構わない。この構成であれば、吸気ガスを構成する新気・燃料・ＥＧＲガス５ｇの全てが帯電される。帯電機構６は、インジェクタ３１より上流に配置されていても構わない。また、実施形態１と同様に、インジェクタ３１はシリンダ内に燃料を直接噴射する構成とすることもできる。
【００３１】
なお、本例に示す吸気ポート３に帯電機構６を設ける構成は、ＥＧＲ５を備えない内燃機関１に適用することもできる。
【符号の説明】
【００３２】
１  内燃機関
１０  燃焼室  １１  シリンダブロック  １２  ピストン  １３  シリンダヘッド
２  点火プラグ
３  吸気ポート  ３０  吸気バルブ（電極部材）  ３１  インジェクタ
４  排気ポート  ４０  排気バルブ（電極部材）
３０Ａ，３０Ｂ，４０Ａ，４０Ｂ  絶縁体
５  排気ガス再循環機構  ５０  ＥＧＲ通路  ５１  ＥＧＲバルブ  ５ｇ  ＥＧＲガス
６  帯電機構  ６０  電極  ６１  絶縁体  ６２  外筒
７  点火制御機構
８  印加機構
８０  電源  ８１  ＤＣ−ＤＣコンバータ  ８２  Ｈブリッジ  ８３  昇圧トランス
８４，８５  スイッチ
９  印加時期制御機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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