(57)【要約】【課題】排気ポート内の排気流と、シリンダヘッド内のウォータジャケットの冷却水との熱交換を向上させ、排気流の温度を低下させる。【解決手段】内燃機関１が、燃焼室１１に接続された排気ポート４と、排気ポート４の下面部４Ａに沿って下流から上流へと流れる気流を生成するように下面部４Ａに設けられたプラズマアクチュエータ３Ａと、を備えている。プラズマアクチュエータ３Ａにより生成された気流は、下面部４Ａに沿って排気流３３Ａに対向するように流れ、この排気流３３Ａを下面部４Ａから剥離し上方にそらす。そして、排気流３３Ａは、上面部４Ｂに沿って流れる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に接続された排気ポートと、
排気ポートの下面部に沿って下流から上流へと流れる気流を生成するように上記下面部に設けられた気流生成装置と、
を備えた内燃機関。
【請求項２】
排気ポートの上面部に設けられた第２の気流生成装置をさらに備え、該第２の気流生成装置は、上記上面部に沿って上流から下流へと流れる気流を生成することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
上記気流生成装置は、プラズマアクチュエータであることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項４】
上記気流生成装置は、排気温度が所定の上限排気温度以上の場合に作動することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項５】
上記気流生成装置は、触媒ベッド温度に応じて作動することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関し、特に、排気系に気流生成装置を有した内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、排気ポートのポート壁面の上面部および下面部の一方または双方にプラズマアクチュエータを配置してなる内燃機関が開示されている。プラズマアクチュエータは、排気行程中に、排気流の順方向に誘導気流を生成し、この誘導気流が、排気流を加速している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１８０７９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
内燃機関の排気流の温度を低減するためには、ウォータジャケットを有する排気ポート壁面と排気流との熱交換を向上させる必要がある。しかし、特許文献１のようなプラズマアクチュエータの作動によっては、排気行程中に排気ポート内で排気流を加速し、通気抵抗を減少させることはできるが、排気流の温度低減には寄与しない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、燃焼室に接続された排気ポートと、排気ポートの下面部に沿って下流から上流へと流れる気流を生成するように上記下面部に設けられた気流生成装置と、を備えてなる内燃機関である。
【０００６】
これにより、燃焼室から出た排気流が、下流から上流へと流れる気流により排気ポート下面部から剥離し上面部に沿って流れる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、排気ポートの下面部の気流生成装置により、下面部に沿った排気流を剥離し上面部に沿って流すので、上面部に沿った排気流が加速し、排気の乱れが促進される。従って、上面部に沿った排気流と、排気ポート壁面との熱交換が向上し、排気流の温度が低下する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施例のプラズマアクチュエータを有した内燃機関の排気系を示す説明図である。
【図２】内燃機関の要部を示す説明図である。
【図３】プラズマアクチュエータの作動原理を示す説明図である。
【図４】排気温度に応じたプラズマアクチュエータの制御を示すフローチャートである。
【図５】触媒ベッド温度に応じたプラズマアクチュエータの制御を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本発明の一実施例を説明する。
【００１０】
図１には、内燃機関１の排気系２が示されており、該排気系２は、本発明の実施例のプラズマアクチュエータ３Ａ，３Ｂ（気流生成装置）を有した排気ポート４と、該排気ポート４に接続された排気通路５と、を備えている。排気通路５の上流部には、排気通路５内の排気温度Ｔeを検出する排気温度センサ６が取り付けられている。排気温度センサ６により検出された排気温度Ｔeは、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）７に送られる。エンジンコントロールユニット７は、この検出された排気温度Ｔeに応じて排気ポート４内のプラズマアクチュエータ３Ａ，３Ｂを制御する。また、エンジンコントロールユニット７は、機関運転条件、つまり吸入空気量Ｑa、機関回転速度Ｎeおよび冷却水温度Ｔwが入力されるように構成されており、これらの運転条件に応じてプラズマアクチュエータ３Ａ，３Ｂを制御する。
【００１１】
排気通路５には、上流側から下流側にかけてプリ触媒コンバータ８、メイン触媒コンバータ９および消音器１０が設けられている。プリ触媒コンバータ８およびメイン触媒コンバータ９には、例えば三元触媒が用いられている。
【００１２】
ここで、以下の説明の便宜のために、本明細書における「上下」は、シリンダ軸線方向で燃焼室１１側を「上」とし、クランクシャフト（図示せず）側を「下」とする。
【００１３】
図２を参照して、図１に示した内燃機関１の要部について説明する。内燃機関１は、シリンダ１２を形成するシリンダブロック１３と、該シリンダブロック１３の上面に固定されたシリンダヘッド１４と、を備えている。シリンダ１２には、ピストン１５が摺動可能に配置されている。シリンダヘッド１４には、吸気ポート１７および排気ポート４が形成されており、シリンダヘッド１４の下面に凹設された例えばペントルーフ型の燃焼室１１へと開口している。吸気ポート１７の先端は吸気弁１８によって開閉され、排気ポート４の先端は排気弁１９によって開閉される。燃焼室１１の中央に点火プラグ２０は、配置されている。図１には、排気行程中の状態が示されており、吸気弁１８が閉じた状態で、排気弁１９が開いた状態で、それぞれ示されている。
【００１４】
排気ポート４は、ペントルーフ型の燃焼室１１の傾斜面から湾曲しつつ延びてから斜め方向に直線状に延びて全体として概ねＬ字状をなしている。そして、シリンダヘッド１４の側面において、排気通路５（図１）に接続されている。シリンダヘッド１４内の排気ポート４のポート壁面における下側の下面部４Ａには、第１のプラズマアクチュエータ３Ａが、燃焼室１１側のポート壁面の下面部４Ａの湾曲した部分の近くに配置されている。一方、シリンダヘッド１４内の排気ポート４のポート壁面における上側の上面部４Ｂには、第２のプラズマアクチュエータ３Ｂが、排気弁１９との干渉を避けるようにして第１のプラズマアクチュエータ３Ａよりも下流側に配置されている。また、高温の排気流が流れる排気ポート４を冷却するために、シリンダヘッド１４には、ウォータジャケット２１が設けられている。
【００１５】
ここで、図３を参照して、プラズマアクチュエータ３の作動原理について簡単に説明する。プラズマアクチュエータ３は、排気ポート４のような気体通路２２内に露出するように誘電体２３上に配置された表面電極２４と、該表面電極２４とは反対側で誘電体２３上に配置された裏面電極２５と、を備えている。これらの電極２４，２５は、誘電体２３の面に沿って互いに離れた位置に配置されている。そして、接地部２６を有した電気回路２７内の交流電源２８により、これらの表面電極２４と裏面電極２５との間に交流電圧を印加することによって、誘電体２３のバリア放電により、誘電体２３の付近の放電領域２９でプラズマが発生し、電場から力を受けることで表面電極２４から裏面電極２５へ向かうブローイング力３０が発生する。このブローイング力３０は、交流電源２８から印加される交流電圧に応じて変化するので、気流制御部３１により交流電源２８の動作を制御することで、気体通路２２内の表面電極２４の付近の気流、つまり流速を適宜制御することが可能となる。
【００１６】
再び図２を参照すると、排気ポート４のポート壁面における下面部４Ａ側において、第１のプラズマアクチュエータ３Ａは、流路３２に向かって露出する表面電極２４Ａと、表面電極２４Ａとは反対側で誘電体２３Ａ上に配置された裏面電極２５Ａと、を有し、表面電極２４Ａが裏面電極２５Ａよりも下流側に配置されている。また、排気ポート４のポート壁面における上面部４Ｂ側において、第２のプラズマアクチュエータ３Ｂは、流路３２に向かって露出する表面電極２４Ｂと、該表面電極２４Ｂとは反対側で誘電体２３Ｂ上に配置された裏面電極２５Ｂと、を有し、表面電極２４Ｂが裏面電極２５Ｂよりも上流側に配置されている。つまり、第１のプラズマアクチュエータ３Ａと第２のプラズマアクチュエータ３Ｂとは、流路３２に沿って互いに逆向きに配置されている。なお、誘電体２３Ａ，２３Ｂは、下面部４Ａ側および上面部４Ｂ側の凹部に埋設されており、誘電体２３Ａ，２３Ｂの表面がポート壁面と同一の面となっている。これにより、下面部４Ａおよび上面部４Ｂの付近を流れる気体の通気抵抗が抑制される。
【００１７】
第１のプラズマアクチュエータ３Ａの作動時には、誘電体２３Ａのバリア放電により、誘電体２３Ａの付近の放電領域２９Ａでプラズマが発生し、排気ポート４の流路３２内において、排気の主流方向とは逆方向のブローイング力３０Ａが発生する。この逆方向のブローイング力３０Ａにより、下面部４Ａに沿って下流から上流へと流れる気流が生成される。
【００１８】
また、第２のプラズマアクチュエータ３Ｂの作動時には、誘電体２３Ｂのバリア放電により、誘電体２３Ｂの付近の放電領域２９Ｂでプラズマが発生し、排気ポート４の流路３２内において、排気の主流方向のブローイング力３０Ｂが発生する。この主流方向のブローイング力３０Ｂにより、上面部４Ｂに沿って上流から下流へと流れる気流が生成される。
【００１９】
上記の第１のプラズマアクチュエータ３Ａおよび第２のプラズマアクチュエータ３Ｂは、基本的に排気行程の間、駆動される。第１のプラズマアクチュエータ３Ａの作動により生成された気流は、下面部４Ａに沿って排気流に対向するように流れるので、排気弁１９と下面部４Ａの先端との間を通った排気流が、矢印３３Ａで示すように、下面部４Ａから剥離し上方にそれて、排気ポート４の上面部４Ｂに沿って流れるようになる。従って、排気ポート４の上面部４Ｂ側において、排気の流速が増加し、これにより、排気流の乱れが促進される。
【００２０】
一方、第２のプラズマアクチュエータ３Ｂの作動により生成された気流により、排気弁１９と上面部４Ｂの先端との間を通った排気流（矢印３３Ｂ参照）が加速される。従って、第１のプラズマアクチュエータ３Ａの作動により上面部４Ｂ側に運ばれた排気流３３Ａをさらに加速させる。これにより、上面部４Ｂ側において、排気の乱れがさらに促進される。
【００２１】
このようにプラズマアクチュエータ３Ａ，３Ｂの作動により、上面部４Ｂに沿った排気流が加速され、排気の乱れが促進されるので、排気ポート４内の排気流と、排気ポート４の周囲に設けられたシリンダヘッド１４内のウォータジャケット２１内部の冷却水との熱交換が向上する。これにより、排気流の温度が低下する。
【００２２】
次に、図４のフローチャートを参照して、排気温度Ｔeに応じたプラズマアクチュエータ３Ａ，３Ｂの作動の許可または禁止について説明する。このフローチャートに示すルーチンは、機関の運転中に繰り返し実行される。ステップＳ１では、排気温度センサ６（図１）により、排気ポート４内の排気温度Ｔeを検出し、この検出された排気温度Ｔeをエンジンコントロールユニット７内に格納された所定の上限排気温度Ｔe1と比較する。ここで、所定の上限排気温度Ｔe1は、排気系２の部品の耐熱限界を考慮して設定されている。そして、排気温度Ｔeが所定の上限排気温度Ｔe1以上の場合には、ステップＳ２に進み、プラズマアクチュエータ３Ａ，３Ｂの作動を許可する。これにより、プラズマアクチュエータ３Ａ，３Ｂは、各気筒の排気行程の間、ＯＮとなる。また、ステップＳ１において、排気温度Ｔeが所定の上限排気温度Ｔe1よりも低い場合には、ステップＳ３に進み、プラズマアクチュエータ３Ａ，３Ｂの作動を禁止する。従って、この実施例では、プラズマアクチュエータ３Ａ，３Ｂは、例えば高負荷時など排気温度Ｔeが高くなったときに作動する。このように、排気温度Ｔeが上限排気温度Ｔe1以上の場合にプラズマアクチュエータ３Ａ，３Ｂの作動を許可することで、排気系２部品を適切に保護できる。更に、排気温度Ｔeが上限排気温度Ｔe1よりも低い場合にプラズマアクチュエータ３Ａ，３Ｂの作動を禁止することで、排気抵抗の増大を抑制することができる。
【００２３】
次に、図５のフローチャートを参照して、推定された触媒ベッド温度Ｔbに応じたプラズマアクチュエータ３Ａ，３Ｂの作動の許可または禁止について説明する。このフローチャートに示すルーチンは、機関の運転中に繰り返し実行される。ステップＳ１１では、エンジンコントロールユニット７において、機関運転条件、つまり吸入空気量Ｑa、機関回転速度Ｎeおよび冷却水温度Ｔwを読み込む。次に、ステップＳ１２において、吸入空気量Ｑa、機関回転速度Ｎeおよび冷却水温度Ｔwを用いてプリ触媒コンバータ８に関する触媒ベッド温度Ｔbを推定する。そして、ステップＳ１３において、この推定された触媒ベッド温度Ｔbを所定の上限触媒ベッド温度Ｔb1と比較する。触媒ベッド温度Ｔbが所定の上限触媒ベッド温度Ｔb1以上の場合には、ステップ１４に進み、プラズマアクチュエータ３Ａ，３Ｂの作動を許可する。また、ステップＳ１３において、触媒ベッド温度Ｔbが所定の上限触媒ベッド温度Ｔb1よりも低い場合には、ステップ１５に進み、プラズマアクチュエータ３Ａ，３Ｂの作動を禁止する。従って、この実施例では、プラズマアクチュエータ３Ａ，３Ｂは、例えば高負荷運転の継続などにより触媒ベッド温度Ｔbが過度に高くなったときに作動する。このように、触媒ベッド温度Ｔbを推定することにより、排気温度センサを別に設けなくても、排気温度が高温となる機関運転条件を判別することができる。
【００２４】
上記各実施例では、排気行程中にプラズマアクチュエータ３Ａ，３Ｂを作動する例を開示したが、排気行程以外の行程の間にもプラズマアクチュエータ３Ａ，３Ｂの作動を継続するようにしても良い。
【符号の説明】
【００２５】
１・・・内燃機関
２・・・排気系
３Ａ・・・第１のプラズマアクチュエータ
３Ｂ・・・第２のプラズマアクチュエータ
４・・・排気ポート
５・・・排気通路
６・・・排気温度センサ
７・・・エンジンコントロールユニット
８・・・プリ触媒コンバータ
９・・・メイン触媒コンバータ
１９・・・排気弁
【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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