JP2009121373A - 内燃機関の吸気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気バルブの開弁によって燃焼室内へ流入する流体の剥離をきめ細かく制御し、内燃機関の燃焼改善を図ることを課題とする。
【解決手段】吸気装置１は、吸気バルブ２を備える。吸気バルブ２のバルブヘッド２ａには、バルブフェース２ｂに露出し、バルブフェースと面一となるようにプラズマ発生素子７が埋設されている。プラズマ発生素子７の形状は、バルブフェース２ｂの全周を覆うようにリング状をなしている。プラズマ発生素子７は、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。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の吸気装置に関する。

内燃機関の燃焼改善の試みは種々行われており、筒内のガス流動を強化することにより燃焼改善を図ることが行われている。ガス流動を強化するものとしては、例えば、吸気ポート内にシャフトに取り付けられた遮蔽板を設け、シャフトを回転させることで遮蔽板によって吸気ポートの一部を塞ぎ、遮蔽板より下流の吸気ポートの通路面積を狭めてガス流動を強化する方法が特許文献１に開示されている。

また、特許文献１に開示された構成では、遮蔽板を閉じた状態では吸気が流れる形状が急激に変化するため、遮蔽板を開閉するためのシャフト上部にて吸気流れが剥離して、遮蔽板より下流の吸気流れにロスが生じるとして、このようなシャフトを備えた他の構造が特許文献２に開示されている。

特許文献２には、吸気通路内部を上下に仕切る仕切り板と、前記仕切り板の上流に配置され、シャフトを中心に回転し、閉じたときには前記吸気通路の一方を閉じる遮蔽弁とを備えた吸気装置において、前記シャフト内を軸方向に貫通するシャフト内通路と、前記遮蔽弁を閉じた時に、開いている方の吸気通路に向けて前記シャフト内通路からの空気を噴出させる放出孔とを設ける構成が開示されている。

特開２００２−５４５３５号公報 特開２００４−１６２６６６号公報

しかしながら、特許文献２記載の構成であっても、吸気ポート内に遮蔽板を配置し、剥離抑制を図る構成となっていることから、遮蔽板配置は、流路面積低下、体積効率低下の要因となり燃焼改善の妨げとなりかねない。また、遮蔽板の制御は一般的に応答性が悪く、きめ細かな制御には限界があった。

そこで、本発明は、吸気バルブの開弁によって燃焼室内へ流入する流体の剥離をきめ細かく制御し、内燃機関の燃焼改善を図ることを課題とする。

かかる課題を解決するための本発明の内燃機関の吸気装置によれば、内燃機関の吸気バルブの表面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、を備えた構成が提供される（請求項１）。吸気バルブの表面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、このとき、電界により正イオンがコンプレッサの吸気流体に運動量を伝え、これにより、プラズマ発生素子が装着された吸気バルブの表面と流体との境界層にて意図的に流れ（空気流）を創り出し、周囲の流れとの速度差を緩和して流体の剥離を抑制する。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、境界層での整流に寄与することができる。なお、このようなプラズマ発生素子は、所望の効果を得ることができる吸気バルブの任意の位置に装着することができる。プラズマ発生素子は、例えば、バルブフェースにプラズマ発生素子が露出するように吸気バルブのバルブヘッドに装着することができる。

このような吸気装置における前記電源装置は、吸入空気量に応じて前記プラズマ発生素子へ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２）。また、前記電源装置は、前記吸気バルブのバルブリフト量に応じて前記プラズマ発生素子へ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（請求項３）、前記電源装置は、吸気ポート内を流通する流体の流速に応じて前記プラズマ発生素子へ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４）。このような制御部を備えることにより、エンジン１サイクル内でのきめ細かな制御を行うことができる。

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５）。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、吸気バルブの稼働状況等に即し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。

本発明によれば、吸気バルブの表面にプラズマ発生素子を装着し、プラズマを発生させることによって燃焼室内へ流入する流体と吸気バルブとの間に流れを生じさせるようにしたので、吸気バルブの稼働状態等に応じた流体の剥離の抑制を図り、筒内のガス流動を強化することができる。

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。

図１は、本発明の内燃機関の吸気装置（以下、「吸気装置」という）１の概略構成を示した図である。吸気装置１は、吸気バルブ２を備えている。吸気バルブ２のバルブヘッド２ａには、バルブフェース２ｂに露出し、バルブフェース２ｂと面一となるようにプラズマ発生素子７が埋設されている。プラズマ発生素子７は、一本の吸気バルブ２に対して１個装着されており、その形状は、バルブフェース２ｂの全周を覆うようにリング状をなしている。このようなプラズマ発生素子７の具体的な構成につき、図２を参照しつつ説明する。プラズマ発生素子７は、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１００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１００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、流体の流れの上流側に位置し、マイナス電極１０４は、流体の流れの下流側に位置させている。このように電極を流体の流通方向にずらすことによってプラズマ発生に伴って発生する境界層における空気流れを流体の流れ方向と一致させることができる。プラズマ発生素子７は、前記のようにバルブフェース２ｂの全周を覆うようにリング状をなしているが、複数個に分割した状態で吸気バルブ２に装着し、個別に電圧制御するように構成することもできる。

吸気バルブ２の上端部には、リテーナ３が装着され、さらにバルブリフター４が被冠される。吸気バルブ２のバルブステム２ｃは中空部２ｃ１を有している。この中空部２ｃ１には、プラズマ発生素子７のリード線５、６が収納されている。中空部２ｃ１は、リテーナ３が装着される箇所の上側に開口２ｃ２によって外部と連通しており、リード線５、６は、この開口２ｃ２から外部へ引き出されている。中空部２ｃ１から引き出されたリード線５、６は、リテーナ３とバルブリフター４との間を縫ってインバータ８と接続されている。プラズマ発生素子７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７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、カム角センサ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プラズマ発生素子７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。

以上のように構成される吸気装置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Ｓ１１において、エアフロメータ１１から吸入空気量に関するデータを取得しする。さらに、カム角センサ１２からのデータも用い、バルブリフト量を算出する。ＥＣＵ１０は、ステップＳ１１での処理に引き続き、ステップＳ１２の処理を行う。ステップＳ１２では、プラズマ発生素子７に印加する電圧のスペックを決定し、変更する。電圧のスペック決定は、具体的には、以下のように行う。吸入空気量とバルブリフト量から、吸気ポート内における流体の流速が予測できるため、予め備えたマップ、すなわち吸入流体の流速と印加交流電圧との対応関係に関するマップを参照して印加交流電圧のスペックを決定する。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、発生する空気の流れは速くなる。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Ｓ１３においてプラズマ発生素子７への電圧印加指令を出すことにより、吸気ポート内、特に、バルブシート近傍での吸入流体の流速と調和する空気の流れを創り出し、吸入流体の剥離を回避して流れの乱れを抑制する。これにより、吸気の体積効率が向上し、また、吸入空気量のバラツキが低減される。この結果、筒内でのガス流動を強化することができ、燃焼改善を図ることができる。このような制御はプラズマ発生素子７に印加される電圧を制御することにより行われるため、応答性がよく、また、きめ細かな制御が可能となる。

このような制御は、エンジン１サイクル内で複数回の処理を行う。バルブリフト量に応じた電圧印加を行うことにより、吸気バルブ２周囲の流体の速度に応じた制御がされることになり、より効果的に吸入流体の剥離抑制を図ることができる。

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、プラズマ発生素子７の素材を適宜変更することができる。

実施例の吸気装置の概略構成図である。 プラズマ発生素子の構成を示す説明図である。 吸気装置における制御の一例を示すフロー図である。

符号の説明

１ 吸気装置
２ 吸気バルブ
２ａ バルブヘッド
２ｂ バルブフェース
２ｃ バルブステム
２ｃ１ 中空部
２ｃ２ 開口
３ リテーナ
４ バルブリフター
５、６ リード線
７ 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 カム角センサ
１０１ 誘電体
１０２ 絶縁層
１０３ プラス電極
１０４ マイナス電極

Claims (5)

1. 内燃機関の吸気バルブの表面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内燃機関の吸気装置。
2. 請求項１記載の内燃機関の吸気装置において、
   前記電源装置は、吸入空気量に応じて前記プラズマ発生素子へ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内燃機関の吸気装置。
3. 請求項１記載の内燃機関の吸気装置において、
   前記電源装置は、前記吸気バルブのバルブリフト量に応じて前記プラズマ発生素子へ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内燃機関の吸気装置。
4. 請求項１記載の内燃機関の吸気装置において、
   前記電源装置は、吸気ポート内を流通する流体の流速に応じて前記プラズマ発生素子へ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内燃機関の吸気装置。
5. 請求項１記載の内燃機関の吸気装置において、
   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内燃機関の吸気装置。

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