(57)【要約】【課題】エンジンの稼動状態の広範囲に亘って燃焼室内での流体の剥離の制御をしてエンジンの燃焼効率の向上を図ることを課題とする。【解決手段】燃焼制御装置１は、シリンダブロック３の上側に組み付けられたシリンダヘッドの下面に、その表面が露出するように装着された第一プラズマ発生素子７Ａと第二プラズマ発生素子７Ｂとを備えている。第一プラズマ発生素子７Ａと第二プラズマ発生素子７Ｂは、ともに誘電体１０１と絶縁層１０２とを備える。第一プラズマ発生素子７Ａはピストンの中心に向かう流体流れを発生させるようにボア方向外側にプラス電極１０３が位置するようにシリンダヘッド２の下面に装着される。第二プラズマ発生素子７Ｂはピストンの外側に向かう流体流れを発生させるようにボア方向内側にプラス電極１０３が位置するようにシリンダヘッド２の下面に装着される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッド下面に表面が露出するように装着されたプラズマ発生素子と、
当該プラズマ発生素子に電圧を印加する電源装置と、
を備えたことを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。
【請求項２】
請求項１記載のエンジンの燃焼制御装置において、
前記プラズマ発生素子は、配置方向の異なる複数個が備えられたことを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。
【請求項３】
請求項１記載のエンジンの燃焼制御装置において、
前記プラズマ発生素子は、ピストンの中心に向かう流体流れを発生させる第一プラズマ発生素子と、ピストンの外側に向かう流体流れを発生させる第二プラズマ発生素子とを含むことを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。
【請求項４】
請求項３記載のエンジンの燃焼制御装置において、
前記第一プラズマ発生素子と前記第二プラズマ発生素子とを交互に配列したことを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。
【請求項５】
請求項２乃至４のいずれか一項記載のエンジンの燃焼制御装置において、
前記電源装置は、エンジンの稼働状況に応じて電圧印加の対象となる前記プラズマ発生素子を変更する制御部を含むことを特徴としたエンジンの燃焼制御装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項記載のエンジンの燃焼制御装置において、
前記電源装置は、スキッシュ強さに応じて前記プラズマ発生素子に印加する電圧を制御する制御部を含むことを特徴としたエンジンの燃焼制御装置。
【請求項７】
請求項６記載のエンジンの燃焼制御装置において、
前記スキッシュ強さは、吸入空気量、スキッシュ容積、機関回転数を参照して算出されることを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。
【請求項８】
請求項１記載のエンジンの燃焼制御装置において、
前記電源装置は、バッテリと、インバータとを含むことを特徴としたエンジンの燃焼制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの燃焼制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃焼効率を上げるための試みは種々行われており、例えば、特許文献１には、吸気ダクトの外周にコイルを装着し、磁界を発生させて、酸素を電離イオン化し、活性化作用を発揮させ、燃焼性を高め、機関出力の向上を図ることが開示されている。また、特許文献２には、シリンダ周りに設けられ、通電により該シリンダ内にシリンダ軸線方向の磁界を発生する磁界発生手段と、火炎のクエンチを防止するように、前記磁界発生手段への通電を制御する通電制御手段と、を備えるエンジンの燃焼制御装置が開示されている。このような構成とすることにより、火炎のクエンチが防止され、熱損失を低減することが可能であるとしている。
【０００３】
【特許文献１】特開平１−２５３５５８号公報
【特許文献２】特開２００７−１９２１６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、エンジンにおける燃焼効率の向上を図るために、スワール流やタンブル流、スキッシュ流によって混合気に乱れを生じさせることが行われている。このような混合気の乱れを生み出すため、燃焼室形状に関する提案も種々なされている。混合気の乱れを活用して燃焼効率の向上を図る場合、燃焼室内での流体の剥離が問題となることがある。流体の剥離は一般的に燃焼効率を低下させる方向に働くが、エンジンの稼動状態、燃焼状態によっては流体の剥離が燃焼効率の向上に寄与する場合もある。しかしながら、燃焼室形状による流体の剥離の抑制のみでは、エンジンの稼動状態、燃焼状態等に合わせた剥離の抑制、制御は困難である。特許文献１、特許文献２に記載のものは、燃焼室内の流体の流れに作用するものとはなっておらず、燃焼室内での流体の剥離を抑制することができるものとはなっていない。
【０００５】
そこで、本発明は、エンジンの稼動状態の広範囲に亘って燃焼室内での流体の剥離の制御をしてエンジンの燃焼効率の向上を図ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる課題を解決するための本発明のエンジンの燃焼制御装置によれば、シリンダヘッド下面に表面が露出するように装着されたプラズマ発生素子と、当該プラズマ発生素子に電圧を印加する電源装置と、を備えたことを特徴とするエンジンの燃焼制御装置が提供される（請求項１）。このような構成とすることにより、シリンダヘッド下面に表面が露出するように装着されたプラズマ発生素子に電圧を印加することによってプラズマを発生させる。このとき、電界により正イオンが吸気流体に運動量を伝えることでピストンヘッド下面とスキッシュエリア内の流体との境界層に意図的に流れを作り、これにより、シリンダヘッド下面と流体との境界層と、スキッシュエリア中央部の流体流れとの速度差を緩和してピストン−シリンダヘッド間、スキッシュエリア内における流体の剥離を抑制する。このように剥離を抑制することで、燃焼室におけるスワール流、スキッシュ流を増加し、混合気の乱れを大きくして燃焼効率を向上させることができる。なお、スキッシュエリア内の流体は混合気であったり燃焼ガスであったりする。
【０００７】
プラズマ発生素子は、誘電体と絶縁層とを設け、誘電体の表裏に電極を配置したもの採用することができる。このようなプラズマ発生素子に印加する電圧は交流電圧とすることが望ましい。交流電圧とすることにより、継続的にプラズマ発生を実現することができる。
【０００８】
このようなエンジンの燃焼制御装置では、前記プラズマ発生素子は、配置方向の異なる複数個が備えられた構成とすることができる（請求項２）。このような構成とすることに、燃焼効率の上昇に有効な向きの流体流れを発生させることができる。また、このようなエンジンの燃焼制御装置では、前記プラズマ発生素子は、ピストンの中心に向かう流体流れを発生させる第一プラズマ発生素子と、ピストンの外側に向かう流体流れを発生させる第二プラズマ発生素子とを含む構成とすることができる（請求項３）。第一プラズマ発生素子に電圧を印加すれば、ボア方向外側から内側に向かって流体が流れるようにすることができ、第二プラズマ発生素子に電圧を印加すれば、ボア方向内側から外側に向かって流体が流れるようにすることができる。このような第一プラズマ発生素子と第二プラズマ発生素子は交互に配列した構成とすることができる（請求項４）。例えば、燃焼室を囲むように円形に配置することができる。
【０００９】
複数のプラズマ発生素子を備えた構成とする場合、前記電源装置は、エンジンの稼働状況に応じて電圧印加の対象となる前記プラズマ発生素子を変更する制御部を含む構成とすることができる（請求項５）。例えば、エンジンが圧縮行程にあるときと膨張行程にあるときとで電圧を印加するプラズマ発生素子を変更し、異なる向きの流体流れを発生させるようにすることができる。
【００１０】
また、前記電源装置は、スキッシュ強さに応じて前記プラズマ発生素子に印加する電圧を制御する制御部を含む構成とすることができる（請求項６）。このとき、前記スキッシュ強さは、吸入空気量、スキッシュ容積、機関回転数を参照して算出される構成とすることができる（請求項７）。
【００１１】
さらに、前記電源装置は、バッテリと、インバータとを含む構成とすることができる（請求項８）。インバータを備えることにより、プラズマ発生素子に印加する電圧を交流とすることができる。また、バッテリと接続したインバータにおけるスイッチングのタイミングを変更することにより、必要に応じたプラズマ発生素子への電圧印加を実現することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、プラズマ発生素子に電圧印加することにより燃焼室内の流体に作用する流体流れを発生させるようにしたので、スワール流、スキッシュ流が増加し、燃焼効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例】
【００１４】
図１（ａ）は、本発明のエンジンの燃焼制御装置（以下、「燃焼制御装置」という）１の概略構成を示す説明図である。図１（ｂ）は、シリンダヘッド２を下面側から見た説明図であり、プラズマ発生素子７Ａ、７Ｂの配列を示している。なお。図１（ａ）は、図１（ｂ）におけるＸ−Ｘ線で断面とした状態を示している。
【００１５】
燃焼制御装置１は、シリンダブロック３の上側に組み付けられたシリンダヘッドの下面に、その表面が露出するように装着された第一プラズマ発生素子７Ａと第二プラズマ発生素子７Ｂとを備えている。このような第一プラズマ発生素子７Ａ、第二プラズマ発生素子７Ｂの具体的な構成につき、図２を参照しつつ説明する。図２（ａ）は第一プラズマ発生素子７Ａを示し、図２（ｂ）は第二プラズマ発生素子７Ｂを示している。図２から明らかなように第一プラズマ発生素子７Ａと第二プラズマ発生素子７Ｂとは素子自体の構成は共通し、シリンダヘッド２の下面に装着される際の向きが異なっている。
【００１６】
第一プラズマ発生素子７Ａと第二プラズマ発生素子７Ｂは、ともに誘電体１０１と絶縁層１０２とを備えている。誘電体１０１は、セラミック素材からなり、絶縁層１０２は、ポリイミドを用いたシート状素材からなる。誘電体１０１の表面側及び裏面側には誘電体１０１を挟むように一対の電極が装着されている。プラズマ発生素子７Ａ、７Ｂは誘電体１０１側を流体が流れるように装着される。本実施例では、誘電体１０１の表面側、すなわち、プラズマ発生素子７Ａ、７Ｂの表面側にプラス電極１０３を装着し、裏面側にマイナス電極１０４を装着している。プラス電極１０３は、生じさせたい流体の流れの上流側に位置させ、マイナス電極１０４は、生じさせたい流体の流れの下流側に位置させている。第一プラズマ発生素子７Ａはピストンの中心に向かう流体流れを発生させるようにボア方向外側にプラス電極１０３が位置するようにシリンダヘッド２の下面に装着されている。第二プラズマ発生素子７Ｂはピストンの外側に向かう流体流れを発生させるようにボア方向内側にプラス電極１０３が位置するようにシリンダヘッド２の下面に装着されている。
【００１７】
このような第一プラズマ発生素子７Ａと第二プラズマ発生素子７Ｂとは図１（ｂ）に示すように交互に配置され、全体として円形をなしている。このように円形に配列された第一プラズマ発生素子７Ａ及び第二プラズマ発生素子７Ｂは、スキッシュエリア４の内周縁と重なるように装着されている。なお、図において、各構成要素の大きさは、説明の都合上実際の縮尺と異なっている。
【００１８】
第一プラズマ発生素子７Ａ及び第二プラズマ発生素子７Ｂはそれぞれプラス電極１０３から引き出されたリード線５、マイナス電極１０４から引き出されたリード線６を介してインバータ８と接続されている。第一プラズマ発生素子７Ａ及び第二プラズマ発生素子７Ｂはインバータ８を介してバッテリ９から電気の供給を受ける。インバータ８は、ＥＣＵ１０と電気的に接続されており、ＥＣＵ（Electronic  control  unit）１０は、バッテリ９から供給される直流電流を交流電流に変換し、プラズマ発生素子７Ａ、７Ｂに交流電圧を印加する際の制御を行う。ＥＣＵ１０にはエアフロメータ１１、クランク角センサ１２、その他の各種センサからの測定値が収集される。この測定値に基づいて第一プラズマ発生素子７Ａ、第二プラズマ発生素子７Ｂへの通電制御を行う。バッテリ９、インバータ８、ＥＣＵ１０は、本発明における電源装置を構成している。
【００１９】
以上のように構成される燃焼制御装置１の制御につき、図３に示すフロー図を参照しつつ説明する。まず、ＥＣＵ１０は、ステップＳ１において、クランク角センサ１２から取得した情報に基づいて、エンジンが圧縮行程にあるか、膨張行程にあるかにより、第一プラズマ発生素子７Ａに電圧印加するのか、第二プラズマ発生素子７Ｂに電圧印加するのかを決定する。具体的には、圧縮行程では第一プラズマ発生素子７Ａに電圧印加する。圧縮行程にあるときは、スキッシュ流れはスキッシュエリア４からシリンダ３ａの中心に向かう流れとなることから、プラズマ発生素子に電圧印加することによって発生する流体流れの向きもこれに一致させる。一方、膨張行程にあるときは、第二プラズマ発生素子７Ｂに電圧印加する。
【００２０】
ＥＣＵ１０は、ステップＳ１での処理に引き続き、ステップＳ２の処理を行う。ステップＳ２では、ＥＣＵ１０は、吸入空気量、スキッシュエリア容積、ピストンスピードからスキッシュ強さを推定するための演算を行う。具体的には、以下の式に基づく演算を行う。
ｍｖｓｑ＝Ｃπ（Ｂ−Ａ）２×Ｓｐ×Ｇａ
ｍ：流体の質量、Ｃ：定数、ｖｓｑ：スキッシュ強さ、
Ｓｐ：ピストンスピード、Ｇａ：シリンダ内の空気量
図４に示すように、Ａは、スキッシュエリアの内径、Ｂは、スキッシュエリアの外径を示す。吸入空気量Ｇａはエアフロメータ１１から取得することができ、ピストンスピードＳｐは、クランク角センサ１２から取得することができる。
【００２１】
ステップＳ２においてスキッシュ強さｖｓｑを算出したＥＣＵ１０は、引き続き、ステップＳ３の処理を行う。ステップＳ３では、シリンダ３ａ内での流体の剥離を抑制するために、ステップＳ２で推定したスキッシュ強さｖｓｑに見合った要求印加電圧のスペックを予め備えたマップより算出する。マップは、境界層における流体の流速とスキッシュエリア４の中央部における流体の流速を合わせるようなスペックが算出されるように作成されている。制御の対象となる印加電圧の数値は、電圧値と周波数であり、それぞれ、５〜１０ｋｖの範囲、１〜１０ｋＨｚの範囲で制御される。周波数は高くなるほど、発生する流体の流れは速くなる。周波数は、インバータ８における直流から交流へのスイッチングのタイミングによって所望の値に制御することができる。ＥＣＵ１０は、これらの数値を制御し、ステップＳ４において第一プラズマ発生素子７Ａ、または、第二プラズマ発生素子７Ｂへの電圧印加指令を出す。
【００２２】
以上のような制御により燃焼制御装置１は、燃焼室内、燃焼室近傍における流体の剥離が抑制され、スキッシュ流が増加する。また、場合によってはスワール流の増加もされる。これにより、燃焼効率を向上させることができる。
【００２３】
上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。例えば、第一プラズマ発生素子７Ａ、第二プラズマ発生素子７Ｂの素材を適宜変更することができる。
また、印加電圧を決定する際に、種々の補正を行うことができる。例えば、ディーゼルエンジンでは、高速高負荷では、噴霧のエネルギが気流よりも比較的弱く、燃料が燃焼室に留まっていることがスモークの主な発生要因の一つとなっている。
そこで、図５に示すようなエンジン回転数と負荷とをパラメータに持つ印加電圧補正マップを加味した制御を行うようにすることができる。すなわち、図３に示したフロー図におけるステップＳ３で算出した印加電圧に図５のマップによって取得した定数Ｄを乗じ、印加電圧とすることができる。定数Ｄは１．０〜２．０の値をとり、印加電圧を増大させる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】（ａ）は、実施例の燃料制御装置の概略構成を示す説明図である。（ｂ）は、シリンダヘッドを下面側から見た説明図であり、プラズマ発生素子の配列を示した図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）のいずれもプラズマ発生素子の構成を示す説明図である。
【図３】燃焼制御装置における制御の一例を示すフロー図である。
【図４】スキッシュエリアの範囲を示す説明図である。
【図５】印加電圧補正マップの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  燃焼制御装置
２  シリンダヘッド
３  シリンダブロック
３ａ  シリンダ
４  スキッシュエリア
５、６  リード線
７Ａ、７Ｂ  プラズマ発生素子
８  インバータ
９  バッテリ
１０  ＥＣＵ
１１  エアフロメータ
１２  クランク角センサ
１０１  誘電体
１０２  絶縁層
１０３  プラス電極
１０４  マイナス電極
【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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