(57)【要約】【課題】内燃機関の運転条件如何によらず、気筒の燃焼室内に生ずる逆方向の旋回気流を弱めて筒内流を強化する。【解決手段】吸気が吸気ポートを通じて気筒の燃焼室内に流入する過程で分流し、その一方が燃焼室内で所望の正方向の旋回気流となり、他方が燃焼室内でこれとは逆方向の旋回気流となるものにおいて、逆方向の旋回気流となる流れに隣接する部位に、当該流れを打ち消しまたはこれを弱めるような方向の気流を生じさせるプラズマアクチュエータを設けた内燃機関を構成した。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気が吸気ポートを通じて気筒の燃焼室内に流入する過程で分流し、その一方が燃焼室内で所望の正方向の旋回気流となり、他方が燃焼室内でこれとは逆方向の旋回気流となるものにおいて、
逆方向の旋回気流となる流れに隣接する部位に、当該流れを打ち消しまたはこれを弱めるような方向の気流を生じさせる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、気筒の燃焼室内で生じる旋回気流を制御して好適な燃焼を実現する内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の気筒の燃焼室内では、吸気行程により、気筒の（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や、気筒の中心軸を取り巻くような旋回気流であるスワールといった筒内流が発生する。この筒内流は、圧縮行程において、圧縮上死点に向かって運動するピストンに押しつぶされて小さな渦や乱流へと崩壊する。燃焼室内に生じる筒内流を強化すれば、吸気と燃料とを十分に混合することが可能となり、燃焼をより促進または安定化することができると考えられる。
【０００３】
吸気ポートを通じて気筒に流入する吸気は、その過程で、ポペット弁である吸気バルブの弁体の傘部に衝突して分流する。結果、分かたれた流れの一方が燃焼室内で所望の正方向の旋回気流となり、他方が燃焼室内でこれとは逆方向の旋回気流となる。筒内流を強化するためには、後者の逆方向の旋回気流をできるだけ弱めることが求められる。
【０００４】
下記特許文献には、気筒の燃焼室内に直接燃料を噴射するインジェクタを設置し、このインジェクタからの噴射燃料を逆方向の旋回気流にぶつけてこれを打ち消すという技術思想が開示されている。
【０００５】
しかしながら、インジェクタから燃料を噴射する量は、そのときの内燃機関のエンジン回転数や要求負荷率（アクセル開度）といった運転領域に依存する。それ故、あらゆる運転領域において、逆方向の旋回気流を噴射燃料により打ち消すことは困難を伴う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−０４７０７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、内燃機関の運転条件如何によらず、気筒の燃焼室内に生ずる逆方向の旋回気流を弱めて筒内流を強化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】
本発明では、吸気が吸気ポートを通じて気筒の燃焼室内に流入する過程で分流し、その一方が燃焼室内で所望の正方向の旋回気流となり、他方が燃焼室内でこれとは逆方向の旋回気流となるものにおいて、逆方向の旋回気流となる流れに隣接する部位に、当該流れを打ち消しまたはこれを弱めるような方向の気流を生じさせるプラズマアクチュエータを設けた内燃機関を構成した。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、内燃機関の運転条件如何によらず、気筒の燃焼室内に生ずる逆方向の旋回気流を弱めて筒内流を強化することができる。
【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３】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の一つの気筒の側断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施の形態を、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（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。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惹起するものである。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。
【００１２】
吸気を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１４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。
【００１３】
排気を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１５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。
【００１４】
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。
【００１５】
本実施形態の内燃機関の制御装置である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。
【００１６】
ＥＣＵ１００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（エンジン回転センサ）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、内燃機関に要求されるエンジン負荷）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、内燃機関の温度を示唆する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、気筒１を内包しているシリンダブロックの振動の大きさを検出する振動式のノックセンサから出力される振動信号ｅ、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、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ｈ等が入力される。
【００１７】
ＥＣＵ１００の出力インタフェースからは、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等を出力する。
【００１８】
ＥＣＵ１００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。ＥＣＵ１００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、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、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（吸気に占めるＥＧＲガスの割合、ＥＧＲ量）等といった各種運転パラメータを決定する。ＥＣＵ１００は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌを出力インタフェースを介して印加する。
【００１９】
しかして、本実施形態の内燃機関には、気筒１の吸気行程中に燃焼室内に生じる気流５１、５２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。
【００２０】
図２ないし図５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。
【００２１】
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４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。
【００２２】
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２及び図４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３及び図５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。
【００２３】
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。
【００２４】
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２、図３及び図５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４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。
【００２５】
本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。
【００２６】
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、即ち気体の衝撃波４０が発生する。衝撃波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の表面上を流れる衝撃波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。
【００２７】
本実施形態では、このようなプラズマアクチュエータ１０を用いて、気筒１の燃焼室内に生じる所望の正方向のタンブル流５１とは逆方向に流れようとする逆タンブル流５２を弱め、以て主流のタンブル流５１を強化する。
【００２８】
図６に示すように、吸気ポート１４を通じて気筒１に流入する吸気５０は、その過程で、吸気バルブ１４１の弁体の傘部に衝突して分流する。結果、分かたれた流れの一方５１が燃焼室内で主流のタンブル流５１（図中実線で表す）となり、他方が燃焼室内で逆タンブル流５２（図中鎖線で表す）となる。本実施形態の内燃機関においては、
・吸気ポート１４における逆タンブル流５２となる流れに隣接する部位（即ち、気筒１の燃焼室に向けて湾曲する吸気ポート１４における気筒１の中心軸（点火プラグ１２が取り付けられる位置）から遠い側（図中下方）の壁面。なお、主流のタンブル流５１となる流れは吸気ポート１４における気筒１に中心軸に近い側（図中上方）の壁面に沿って流れる）
・シリンダヘッドにおける気筒１の燃焼室の天井部であって逆タンブル流５２に隣接する部位（吸気ポート１４における内周側の壁面に連なる壁面）
・気筒１のシリンダボアにおける逆タンブル流５２に隣接する部位（吸気ポート１４における内周側の壁面の方にある壁面）
のうちの何れか少なくとも一つに、プラズマアクチュエータ１０を設置する。そして、プラズマアクチュエータ１０は、逆タンブル流５２を弱める方向、即ち逆タンブル流５２に反する方向の成分を含む方向に、気体の衝撃波４０（図中白矢印で表す）を発生させる。
【００２９】
本実施形態では、吸気５０が吸気ポート１４を通じて気筒１の燃焼室内に流入する過程で分流し、その一方５１が燃焼室内で所望の正方向の旋回気流となり、他方５２が燃焼室内でこれとは逆方向の旋回気流となるものにおいて、逆方向の旋回気流５２となる流れに隣接する部位に、当該流れ５２を打ち消しまたはこれを弱めるような方向の気流４０を生じさせるプラズマアクチュエータ１０を設けた内燃機関を構成した。
【００３０】
本実施形態によれば、気筒１の燃焼室内で生じる逆方向の旋回気流５２を弱められ、その結果として燃焼室内で生じる所望の正方向の旋回気流５１を強い状態のままで維持することができる。従って、混合気の燃焼の安定化や、初期燃焼速度の向上を見込める。そして、吸気のＥＧＲ率の上限を引き上げることが許容されるため、ポンピングロスの低減による内燃機関の燃費性能の良化や、燃焼温度の低下によるノッキングの抑制（さらには、点火タイミングをＭＢＴ（Ｍｉｎｉｍｕｍ  ａｄｖａｎｃｅ  ｆｏｒ  Ｂｅｓｔ  Ｔｏｒｑｕｅ）により近づけることが可能となる）、有害物質の排出量の削減に奏効する。
【００３１】
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、吸気が吸気ポート１４を通じて気筒１の燃焼室内に流入する過程で分流し、その一方が燃焼室内で所望の正方向のスワール流なり、他方が燃焼室内でこれとは逆方向のスワール流となる内燃機関にあって、吸気ポート１４の壁面、気筒１の燃焼室の天井部の壁面、及び／または、気筒１のシリンダボアの壁面における、逆方向のスワール流となる流れに隣接する部位に、当該流れを打ち消しまたはこれを弱めるような方向の気流４０を生じさせるプラズマアクチュエータ１０を設置し、以て所望のスワール流の強化を図ることも可能である。
【００３２】
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】
【００３３】
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】
【００３４】
１…気筒
１０…プラズマアクチュエータ
１４…吸気ポート
４０…逆方向の旋回気流を打ち消しまたは弱める気流
５０…吸気
５１…正方向の旋回気流
５２…逆方向の旋回気流
【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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