JP2015017587A - Internal combustion engine and its control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関およびその制御方法に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine and a control method thereof.
従来、燃焼室の燃焼を電界によって促進させる内燃機関が知られている。例えば、特許文献1には、燃焼行程中にシリンダのガスケットとピストンとの間に電界を形成する内燃機関が記載されている。
Conventionally, an internal combustion engine that promotes combustion in a combustion chamber by an electric field is known. For example,
しかしながら、特許文献1に記載の内燃機関では、正極の性質を有している火炎は負極となっているガスケットの方向に移動する。一般に、火炎が有する燃焼熱に対して燃焼室を形成する壁面を通って外部に放出される燃焼熱、いわゆる、冷却損失は、ピストンやシリンダヘッド部を介して外部に放出される熱量の割合が比較的高い。特許文献1に記載の内燃機関では、ピストンの端面とガスケットとを結ぶ限られた領域にのみ形成される電界が火炎のシリンダヘッド部内壁やシリンダライナ部内壁近傍への接近あるいは衝突を妨げる効果は小さく、冷却損失を大幅に低減することができない。このため、熱効率向上の効果は小さいと考えられる。
However, in the internal combustion engine described in
本発明の目的は、熱効率を向上する内燃機関を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an internal combustion engine that improves thermal efficiency.
本発明は、ピストンと、ピストンの往復移動によって容積が可変する燃焼室を形成するシリンダと、シリンダに設けられ燃焼室に電界を形成する電界形成手段と、を備える内燃機関であって、ピストンは、燃焼室を形成する端面に帯電可能な絶縁膜が形成されることを特徴とする。 The present invention is an internal combustion engine comprising a piston, a cylinder that forms a combustion chamber whose volume is variable by reciprocating movement of the piston, and an electric field forming means that is provided in the cylinder and forms an electric field in the combustion chamber. In addition, a chargeable insulating film is formed on an end face forming the combustion chamber.
一般に、火炎は正極の性質を有し、電界中において正極と反発し負極に近づくよう振る舞うことが知られている。本発明の内燃機関では、燃焼室内に設けられた電界形成手段によってピストンに設けられている絶縁膜を正または負に帯電させる。これにより、本発明の内燃機関では、燃焼室壁面全体に電界が形成され、燃焼室の火炎は絶縁膜の極性にあわせて燃焼室壁面との距離が制御される。例えば、絶縁膜を正に帯電させると、火炎は絶縁膜のある燃焼室壁面から離れ、燃焼室の中心に偏る。これにより、火炎が有する燃焼熱のうち燃焼室壁面から放出される燃焼熱が少なくなり、冷却損失を低減することができる。このように、本発明の内燃機関は、燃焼室壁面、特にピストンやシリンダヘッドからの燃焼熱の放出量を制御し、内燃機関の冷却損失を低減することができる。 In general, it is known that a flame has the properties of a positive electrode and behaves so as to repel the positive electrode and approach the negative electrode in an electric field. In the internal combustion engine of the present invention, the insulating film provided on the piston is charged positively or negatively by the electric field forming means provided in the combustion chamber. Thereby, in the internal combustion engine of the present invention, an electric field is formed on the entire combustion chamber wall surface, and the distance between the combustion chamber flame and the combustion chamber wall surface is controlled in accordance with the polarity of the insulating film. For example, when the insulating film is positively charged, the flame moves away from the wall surface of the combustion chamber where the insulating film is located and is biased toward the center of the combustion chamber. Thereby, the combustion heat released from the combustion chamber wall surface among the combustion heat of the flame is reduced, and the cooling loss can be reduced. Thus, the internal combustion engine of the present invention can control the amount of combustion heat released from the wall surface of the combustion chamber, particularly the piston and cylinder head, and reduce the cooling loss of the internal combustion engine.
以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, a plurality of embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による内燃機関について、図1から図5に基づいて説明する。
(First embodiment)
An internal combustion engine according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
第1実施形態によるエンジン1は、例えば、軽油を直接燃焼室22に噴射する直噴式の4ストロークエンジンである。エンジン1は、吸気系10、シリンダ20、ピストン30、電界形成電極35、排気系40、制御部50などから構成されている。なお、図1には、吸気系10に導入される空気の流れを矢印S1、排気系40から大気に排出される排気の流れを矢印S2で示す。
The
吸気系10は、大気中の空気を燃焼室22に供給する。吸気系10は、吸気管12、スロットルバルブ14、及び、吸気弁18などから構成されている。
The
吸気管12は、吸気管12が形成する吸気通路121が大気とシリンダ20内に形成される燃焼室22とを連通するよう設けられる。吸気管12は、空気に含まれる異物を除去するエアクリーナ13を備える。
The
スロットルバルブ14は、エアクリーナ13からみて燃焼室22側、すなわち、吸気管12の下流側に設けられる。スロットルバルブ14は、運転者による図示しないアクセル装置の開度に応じて吸気管12を流れる空気の量を調整する。
The
吸気弁18は、吸気管12とシリンダ20とが接続される位置に設けられる。吸気弁18は、シリンダ20に対するピストン30の往復移動の位置に応じて開弁または閉弁し、開弁時、吸気通路121を流れる空気を燃焼室22に供給する。
The
排気系40は、燃焼室22の燃焼後の気体である排気を大気に放出する。排気系40は、排気管42、排気温センサ44、及び、排気弁48などから構成されている。
The exhaust system 40 releases exhaust gas, which is a gas after combustion in the
排気管42は、排気管42が形成する排気通路421が燃焼室22と大気とを連通するよう設けられる。排気管42の外壁には、排気温センサ44が設けられる。排気温センサ44は、排気通路421を流れる排気の温度を検出する。
The
排気弁48は、排気管42とシリンダ20とが接続される位置に設けられる。排気弁48は、シリンダ20に対するピストン30の往復移動の位置に応じて開弁または閉弁し、開弁時、燃焼室22の排気を排気管42に流通させる。
The
シリンダ20は、シリンダヘッド部24、シリンダライナ部26、及び、クランクケース部28を有する。
The
シリンダヘッド部24には、吸気通路121と連通する吸気ポート244、排気通路421と連通する排気ポート245が形成されている。また、シリンダヘッド部24の略中央には、燃料噴射弁25が設けられる。
An
燃料噴射弁25は、燃焼室22に燃料を直接噴射する。燃料噴射弁25には図示しない燃料タンクが貯留する燃料が供給される。燃料噴射弁25は、燃料を正または負に帯電させる帯電部251を有する。燃料噴射弁25は、「帯電手段」としての帯電部251により帯電した燃料を燃焼室22に噴射する。燃料噴射弁25の燃焼室22側には、電界形成電極35が設けられている。燃料噴射弁25は、特許請求の範囲に記載の「燃料供給手段」に相当する。
The
電界形成電極35は、図2に示すように、燃料噴射弁25の燃焼室22側の径方向外側に燃料噴射弁25を囲むよう周方向に設けられている。「電界形成手段」としての電界形成電極35は、高電圧印加によってコロナ放電を形成可能な電極であって、正または負のいずれかの電圧を印加可能である。電界形成電極35は、先端に複数の突起351が形成されている。複数の突起351は、その長さが、ピストン30がTDCにあるとき複数の突起351それぞれの先端とピストン30の燃焼室22を形成するピストン面31上の絶縁膜32の表面との距離が略同じになるよう形成されている。すなわち、複数の突起351の長さは、図2に示すように、絶縁膜32までに距離に応じて長さが異なる。これにより、電界形成電極35は、燃焼室22全体に電界を形成する。なお、図2では、電界形成電極35の突起351の数は、図面の都合上8本としているが、突起351の数はこれに限定されない。
As shown in FIG. 2, the electric
シリンダライナ部26は、略筒状に形成され、シリンダヘッド部24及びピストン30と燃焼室22を形成する。シリンダライナ部26の側壁の内部にはエンジン1を冷却する冷却水が流れる流路265が形成されている。流路265を流れる冷却水の温度は、シリンダライナ部26の側壁に設けられている水温センサ27によって検出される。
The
クランクケース部28は、シリンダライナ部26のシリンダヘッド部24と接続する側とは反対側の端部に接続するよう設けられている。クランクケース部28は、内部にクランク281を収容する。
The
ピストン30は、シリンダライナ部26の径内方向に往復移動可能に収容されている。燃焼室22を形成するピストン30のピストン面31は、図2に示すようにトロイダル状に形成されている。ピストン面31には、例えば、帯電可能な酸化アルミニウムから形成される絶縁膜32が設けられている。絶縁膜32は、その厚みが略一定であり、その表面の表面積が大きくなるよう凹凸状に形成されている。
The
制御部50は、種々の情報に基づいて算出された電圧値及び電流値の電力を電界形成電極35に供給する。制御部50は、演算部52、車載バッテリ、キャパシタ、ハイブリッドの高電圧回路などから構成される電源54、昇圧部56などから構成されている。
The
演算部52は、CPU、ROM、RAM、I/O、及びこれらを接続するバスラインを有する周知の小型のコンピュータである。演算部52には、スロットルバルブ14、燃料噴射弁25、水温センサ27、排気温センサ44などと電気的に接続している。演算部52は、スロットルバルブ14が出力するスロットルバルブ14の開度を示す電気信号、燃料噴射弁16が出力する燃料噴射量を示す電気信号、水温センサ27が出力するシリンダライナ部26の冷却水の温度を示す電気信号、図示しないクランク角センサが出力するクランク角を示す電気信号、排気温センサ44が出力する排気温を示す電気信号などが入力される。演算部52では、スロットルバルブ14の開度を示す電気信号に基づいて燃焼室22の圧力を算出し、スロットルバルブ14の開度を示す電気信号及び排気温を示す電気信号に基づいて燃焼室22の温度を算出し、クランク角を示す電気信号に基づいてピストン位置を算出する。演算部52では、これら算出した値に基づいて燃焼室22に電界を形成するために最適な電圧値及び電流値を算出する。また、演算部52では、燃料噴射量を示す電気信号に基づいて後述するエンジン1の燃焼行程において電界形成電極35に印加する電圧値及び電流値を算出する。また、演算部52は、シリンダライナ部26の冷却水の温度を示す電気信号に基づいてエンジン1の運転状態にあわせた極性の電圧を電界形成電極35に印加する。演算部52は、これら算出された電圧値、電流値、及び極性を昇圧部56に出力する。
The
昇圧部56は、演算部52が出力する電圧値、電流値及び極性に基づき電源54が供給する電力を昇圧し、昇圧された電力を電界形成電極35に印加する。これにより、燃焼室22に所望の電界が形成される
The boosting
次に、エンジン1の作用をピストン30の往復移動の位置にしたがって図3〜5に基づいて説明する。ここでは、説明の便宜上、燃焼室22の混合気が燃焼する燃焼行程が終了した時点から説明する。なお、図3では、横軸はシリンダ20に対するピストン30の相対位置を示している。図3(a)では、燃料噴射弁25が燃焼室22に噴射する燃料の量を示している。また、図3(b)では、燃焼室22の圧力を示している。また、図3(c)では、電界形成電極35に印加される電圧の大きさを示している。また、以降の説明は、特に触れない限り、絶縁膜32を正に帯電させる場合を説明する。
Next, the operation of the
燃焼室22の混合気が燃焼し下死点(以下、「BDC」という)まで移動したピストン30は、上死点(以下、「TDC」という)に向かって移動する(図3の時刻t10以降)。このとき、排気弁48が開弁し、TDCに向かうピストン30によって燃焼室22の排気が排気通路421に排出される(排気行程)。排気行程中の時刻t11において、電界形成電極35に電圧V11が印加され、燃焼室22にコロナ放電が発生する。
The
電界形成電極35に電圧V11が印加されると、ピストン面31の絶縁膜32は、電界形成電極35の極性と同じ極性に帯電する。この絶縁膜の帯電現象について図4に基づいて説明する。図4には、電界形成電極35の突起351と絶縁膜32との間における正イオン、負イオン及び電子のやり取りの模式図を示す。図4には、電界形成電極35の突起351と絶縁膜32との間における正イオン、負イオン及び電子の移動方向を白抜き矢印で示している。
突起351に比較的高い正電圧V11が印加されると、突起351に対向する位置に設けられている絶縁膜32から電子などの負の電荷が引き抜かれる。絶縁膜32は本来電位0の状態であるため、負の電荷が突起351によって引き抜かれると絶縁膜32は正の電荷が多く残るため、絶縁膜32全体は正に帯電した状態となる。なお、ここでは、電界形成電極35の突起351に正電圧V11が印加される場合を説明したが、電界形成電極35の突起351に負電圧が印加されると絶縁膜32が負に帯電する現象は同じ原理である。
When the voltage V <b> 11 is applied to the electric
When a relatively high positive voltage V11 is applied to the
ここで、制御部50は、エンジン1の運転状態にあわせて電界形成電極35の極性を変更する。具体的には、エンジン1が始動した直後では電界形成電極35を負極にする。これにより、絶縁膜32は負に帯電する。また、エンジン1が始動から一定時間経過すると電界形成電極35を正極にする。これにより、絶縁膜32は正に帯電する。
Here, the
次に、シリンダ20内のピストン30がTDCからBDCに向かって移動するとき、吸気弁18が開弁し、吸気管12を流れる吸気が燃焼室22に流入する(吸気行程)。排気行程中の時刻t11に開始された電界形成電極35への電圧の印加は、吸気行程中の時刻t12において終了する。時刻t11から時刻t12までの間、電界形成電極35に正電圧が印加されると、絶縁膜32は正に帯電することとなる。また、電界形成電極35に図3(c)の一点鎖線L11に示すように負電圧が印加されると、絶縁膜32は負に帯電することとなる。
Next, when the
次に、吸気行程が終了した後、ピストン30がBDCからTDCに向かって移動し、燃焼室22の吸気が圧縮される(圧縮行程)。圧縮行程中の時刻t13において、電界形成電極35に正電圧が印加される。このとき電界形成電極35に印加される正電圧は、圧縮行程が進行し燃焼室22の圧力が増加するにしたがって大きくなり、ピストン30がTDCに到達したとき、正電圧V11に比べ大きい正電圧V12が印加される(図3の時刻t14)。この圧縮行程における電圧の印加により絶縁膜32の正の帯電量はさらに増加する。また、時刻t13から時刻t14までの間、電界形成電極35に図3(c)の一点鎖線L12に示すように負電圧が印加されると、絶縁膜32の負の帯電量はさらに増加する。
Next, after the intake stroke is completed, the
また、圧縮行程の後半では燃料噴射弁25によってパイロット噴射(図3(a)の実線L13における凸部分J1)、プレ噴射(図3(a)の実線L13における凸部分J2)、メイン噴射(図3(a)の実線L13における凸部分J3)が行われ、燃焼室22に燃料が供給される。燃焼室22に供給される燃料は、帯電部251によって正に帯電しており、正に帯電している絶縁膜32に対して反発するため燃料は燃焼室22の中央寄りに集まった状態で燃焼が開始する。
Further, in the latter half of the compression stroke, the
燃料の燃焼が開始しピストン30がTDCまで到達した後、ピストン30はBDCに向かって移動する(燃焼行程)。燃焼行程においては、燃料噴射弁25によってアフター噴射(図3(a)の実線L13における凸部分J4)、ポスト噴射(図3(a)の実線L13における凸部分J5)が行われる。
After the combustion of fuel starts and the
一般に、火炎は正極の性質を有し、電界中において正極と反発し負極に近づくよう振る舞うことが知られている。第1実施形態によるエンジン1では、ピストン30の往復移動に合わせて燃焼行程前に電界形成電極35によって絶縁膜32を帯電させる。燃焼室22を形成するピストン面31の絶縁膜32が帯電すると、帯電の極性に応じて燃焼室22の火炎が移動する。具体的には、絶縁膜32を正に帯電させると、燃焼室22の火炎はピストン面31と反発し、図5に示すように、絶縁膜32が帯電していない場合の燃焼室22の火炎F0(図5中の二点差線)に比べ燃焼室22の火炎F1(図5中の一点鎖線)のようにピストン面31から離れる。燃焼室22の火炎がピストン面31から離れると、ピストン30と火炎との間には空気の層が形成され、火炎の燃焼熱がピストン30に伝わりにくくなる。これにより、火炎が有する燃焼熱がシリンダ20の外部に放出される量が少なくなり、火炎の燃焼熱に対して燃焼室を形成する壁面を通って外部に放出される燃焼熱、すなわち、冷却損失を小さくすることができる。したがって、エンジン1の熱効率を向上することができる。
In general, it is known that a flame has the properties of a positive electrode and behaves so as to repel the positive electrode and approach the negative electrode in an electric field. In the
また、制御部50は、エンジン1が始動した直後、電界形成電極35を負極にし、絶縁膜32を負に帯電させる。絶縁膜32が負に帯電すると正極の性質を有する火炎がピストン30に近づき火炎の熱が伝わりやすくなり、ピストン30やシリンダ20の温度が迅速に上昇する。ピストン30やシリンダ20の温度が上昇すると、エンジン冷却水、エンジンオイルが迅速に既定温度に上昇する。これにより、エンジン1の始動性を向上することができる。具体的には、排気中のCO、HC、PMの量が低減され、始動した直後の燃料消費量を低減することができる。
また、火炎の燃焼熱がピストン30やシリンダ20に早く伝わることによってエンジン1が十分に暖められエンジン1の運転状態が安定すると、制御部50は電界形成電極35を正極にし、絶縁膜32を正に帯電させる。これにより、火炎がピストン30から離れ火炎の熱が伝わりにくくなるため、冷却損失を小さくする。したがって、第1実施形態によるエンジン1では、電界形成電極35の極性を変更することでエンジン1の運転状態を迅速に安定させることができる。
Further, immediately after the
Further, when the combustion heat of the flame is quickly transmitted to the
また、絶縁膜32の表面は凹凸状に形成されている。これにより、電界形成電極35によって電界が形成されるとき、フラットな表面の絶縁膜に比べ、絶縁膜32の帯電量を増加させることができる。したがって、火炎のピストン30に対する反発力が比較的大きくなり火炎のピストン面31への接近をさらに防止できるため、エンジン1の熱効率をさらに向上することができる。
Further, the surface of the insulating
制御部50は、図3に示したように排気行程中の時刻t11から吸気行程中の時刻t12にかけて電界形成電極35に電圧を印加する。これにより、エンジン1では、絶縁膜32の電荷が排気行程において排出される水蒸気と一緒に燃焼室22の外部に排出されることを防止することができる。
As shown in FIG. 3, the
また、制御部50は、図3に示したように、圧縮行程中の時刻t13から時刻t14にかけて電界形成電極35に電圧を印加する。このとき、印加される電圧の大きさは、燃焼室22の圧力が大きくなるにつれて大きくする。
一般に、平行な電極間に印加可能な電圧Vs、平行な電極により形成される空間の圧力P、及び、電極の間の距離dには、パッシェンの法則として以下の関係が成立する。
Vs=P×d ・・・・・(1)
パッシェンの法則をエンジン1の電界形成電極35と絶縁膜32との関係に適用すると、電界形成電極35に印加可能な電圧Vsは、燃焼室22の圧力P及び電界形成電極35と絶縁膜32との距離dによって決定される。圧縮行程において、ピストン30のTDCへの移動によって燃焼室22の圧力Pが大きくなるため、電界形成電極35に印加可能な電圧Vsを大きくとることができる。これにより、絶縁膜32の帯電量はさらに多くなり、燃焼室22に比較的強い電界を形成することができる。したがって、エンジン1の熱効率をさらに向上することができる。
Further, as shown in FIG. 3, the
In general, the following relationship is established as Paschen's law for the voltage Vs that can be applied between parallel electrodes, the pressure P of the space formed by the parallel electrodes, and the distance d between the electrodes.
Vs = P × d (1)
When Paschen's law is applied to the relationship between the electric
燃料噴射弁16は、帯電した燃料を燃焼室22に直接噴射する、いわゆる、「静電噴霧」を行うことができる。帯電した燃料は、電界形成電極35の極性、及び、絶縁膜32の極性に応じてピストン30に対する位置を変更する。具体的には、正に帯電した燃料は、正に帯電した絶縁膜32を有するピストン30と反発し、ピストン30から離れる。また、負に帯電した燃料は、正に帯電した絶縁膜32を有するピストン30に近づく。このように、燃料を帯電させることにより、ピストン30に対する位置を制御することができ、燃焼行程において発生する火炎の位置を制御することができる。
The fuel injection valve 16 can perform so-called “electrostatic spraying” in which charged fuel is directly injected into the
燃焼行程において生成される微粒子状物質は、電界形成電極35に印加した正または負の極性を有している。排気行程において電界形成電極35に電圧を印加すると、この微粒子状物質は帯電している絶縁膜32上に一定量トラップされ、燃焼室22に閉じ込められる。これにより、排気に含まれる微粒子状物質の量を低減することができる。
The particulate matter generated in the combustion stroke has a positive or negative polarity applied to the electric
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態による内燃機関を図6、7に基づいて説明する。第2実施形態は、絶縁膜上に帯電膜が形成されている点が第1実施形態と異なる。なお、第1実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
(Second Embodiment)
Next, an internal combustion engine according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The second embodiment is different from the first embodiment in that a charging film is formed on an insulating film. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the site | part substantially the same as 1st Embodiment, and description is abbreviate | omitted.
第2実施形態によるエンジン2では、ピストン面31に設けられる絶縁膜32上に帯電膜33が形成されている。帯電膜33は、絶縁膜32に比べ帯電しやすい材料から形成されている。帯電膜33は、電界形成電極35に電圧が印加されるとき、電界形成電極35の極性と同じ極性に帯電する。
In the
次に、エンジン2の作用をピストン30の往復移動の位置にしたがって図7に基づいて説明する。排気行程及び吸気行程におけるエンジン2の作用は、第1実施形態によるエンジン1と同じである。
Next, the operation of the
吸気行程が終了した後、ピストン30がBDCからTDCに向かって移動し燃焼室22の吸気が圧縮される(圧縮行程)。圧縮行程中の時刻t23において、電界形成電極35に正電圧が印加される。電界形成電極35に印加される正電圧は、圧縮行程が進行し燃焼室22の圧力が増加するにしたがって大きくなる。エンジン2では、ピストン30がTDCに到達し燃焼行程に移行した後、電界形成電極35に印加されている正電圧を負電圧に変化する(図7(c)の時刻t24)。
After the intake stroke is completed, the
第2実施形態によるエンジン2では、絶縁膜32に比べ帯電しやすい帯電膜33が形成されている。これにより、燃焼室22に形成される電界は第1実施形態によるエンジン1に比べ強くなるため、正極の性質を有する燃焼室22の火炎がピストン面31とさらに反発し、火炎がピストン面からさらに離れる。したがって、第1実施形態の効果に加え、冷却損失をさらに小さくすることができる。
In the
また、エンジン2では、燃焼の初期段階では、電解形成電極35に正電圧を印加し帯電膜33を正に帯電させる。これにより、燃焼室22の火炎はピストン30と反発し火炎はピストン30から離れる。一方、燃焼の後期段階では、電界形成電極35に負電圧を印加し、燃焼室22に帯電膜33から電界形成電極35への方向の電界を形成する。これにより、燃焼室22には燃焼の初期段階で形成されている電界に比べさらに強い電界が形成され、燃焼室22の火炎はピストン30とさらに反発し火炎はピストン30から離れる。このように、エンジン2では、電界形成電極35に印加する電圧の極性を燃焼の初期段階と後期段階とに分けて制御し、燃焼室22に形成される電界をさらに強くする。したがって、エンジン2は、排気行程及び吸気行程における帯電膜33への帯電に加え燃焼行程における燃焼室22での電界の形成により、燃焼室22で生成される火炎の位置を制御することができる。
In the
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態による内燃機関を図8に基づいて説明する。第3実施形態は、絶縁膜及び帯電膜が形成されている位置が第2実施形態と異なる。なお、第2実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
(Third embodiment)
Next, an internal combustion engine according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The third embodiment is different from the second embodiment in the position where the insulating film and the charging film are formed. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the site | part substantially the same as 2nd Embodiment, and description is abbreviate | omitted.
第3実施形態によるエンジン3では、ピストン面31の絶縁膜32及び帯電膜33に加えて、燃焼室22を形成するシリンダヘッド部24の内壁面241に絶縁膜242及び帯電膜243が設けられている。また、燃焼室22を形成するシリンダライナ部26の内壁面261に絶縁膜262及び帯電膜263が設けられている。また、燃焼室22を形成する吸気弁18の吸気弁端面181に絶縁膜182及び帯電膜183が設けられている。また、燃焼室22を形成する排気弁48の排気弁端面481に絶縁膜482及び帯電膜483が形成されている。
In the
エンジン3の電界形成電極35は、複数の突起351をシリンダヘッド部24の内壁面241及びシリンダライナ部26の内壁面261に対向する位置に有している。複数の突起351のそれぞれは、その長さが帯電膜33、243、263、183、483との距離が略同じになるよう形成されている。
The electric
第3実施形態によるエンジン3では、燃焼室22を形成するピストン面31、シリンダヘッド部24の内壁面241、シリンダライナ部26の内壁面261、吸気弁18の吸気弁端面181、及び、排気弁48の排気弁端面481の全てに絶縁膜32、242、262、182、482、及び、帯電膜33、243、263、183、483が形成されている。これにより、火炎は、帯電膜33、243、263、183、483が正に帯電すると、ピストン面31、内壁面241、261、吸気弁端面181、排気弁端面481と反発し、燃焼室22を形成するこれらの面から離れる。したがって、第1実施形態の効果に加え、冷却損失をさらに小さくすることができる。
In the
(他の実施形態)
(ア)上述の実施形態では、エンジンは、軽油を燃料とする直噴式の4ストロークエンジンであるとした。しかしながら、燃料の種類及びエンジンの種類はこれに限定されない。ディーゼルエンジンの場合、圧着着火式エンジンであってもよいし、グロープラグを備えるエンジンであってもよい。また、ガソリンを燃料とするエンジンであってもよい。ガソリンエンジンの場合、燃焼室に直接ガソリンを噴射する直噴式のエンジンであってもよいし、吸気通路にガソリンを噴射するPFI式であってもよい、また、天然ガスを燃料とするガスエンジンであってもよいし、例えばアルコールとガソリンとの混合燃料を燃料とするエンジンであってもよい。また、2ストロークエンジンであってもよい。
(Other embodiments)
(A) In the above-described embodiment, the engine is a direct injection type four-stroke engine using light oil as fuel. However, the type of fuel and the type of engine are not limited to this. In the case of a diesel engine, it may be a compression ignition type engine or an engine equipped with a glow plug. Further, an engine using gasoline as fuel may be used. In the case of a gasoline engine, it may be a direct injection engine that directly injects gasoline into the combustion chamber, a PFI type that injects gasoline into the intake passage, or a gas engine that uses natural gas as fuel. For example, an engine using a mixed fuel of alcohol and gasoline as fuel may be used. A two-stroke engine may also be used.
(イ)上述の実施形態では、絶縁膜の厚さは一定に形成され、電界形成電極が有する複数の突起は、絶縁膜の表面との距離が略同じになるよう形成されるとした。しかしながら、電界形成電極の突起と絶縁膜の表面との距離はこれに限定されない。絶縁膜の厚み及び材料などを場所により変更することで、絶縁強度を変化させる。このように、突起と絶縁膜との距離を場所によって変化する絶縁膜の帯電性に応じて変更し、ピストン面の近傍に一定の帯電状態を形成できればよい。 (A) In the above-described embodiment, the insulating film has a constant thickness, and the plurality of protrusions of the electric field forming electrode are formed so that the distance from the surface of the insulating film is substantially the same. However, the distance between the projection of the electric field forming electrode and the surface of the insulating film is not limited to this. The insulating strength is changed by changing the thickness and material of the insulating film depending on the location. In this way, it is only necessary to change the distance between the protrusion and the insulating film according to the charging property of the insulating film that changes depending on the location, and to form a constant charged state in the vicinity of the piston surface.
(ウ)上述の実施形態では、制御部は、スロットルバルブの開度、排気温、クランク角に基づいて燃焼室に電界を形成するために最適な電圧値及び電流値を算出するとした。しかしながら、制御部が最適な電圧値及び電流値を算出するときに基づくパラメータはこれに限定されない。例えば、最適な電圧値及び電流値を算出するときに用いられる燃焼室の圧力は、アクセル装置のアクセル開度やマップに基づくEGR量、圧縮比などに基づいて算出してもよい。また、最適な電圧値及び電流値を算出するときに用いられる燃焼室の温度は、マップに基づくEGR量に基づいて算出してもよい。 (C) In the above-described embodiment, the control unit calculates the optimum voltage value and current value for forming an electric field in the combustion chamber based on the opening degree of the throttle valve, the exhaust temperature, and the crank angle. However, the parameters based on when the control unit calculates the optimum voltage value and current value are not limited to this. For example, the pressure in the combustion chamber used when calculating the optimum voltage value and current value may be calculated based on the accelerator opening of the accelerator device, the EGR amount based on the map, the compression ratio, and the like. Further, the temperature of the combustion chamber used when calculating the optimum voltage value and current value may be calculated based on the EGR amount based on the map.
(エ)第1実施形態では、排気行程から吸気行程にかけて、及び、圧縮行程において、電界形成電極35に電圧が印加されるとした。また、第2実施形態では、排気行程から吸気行程にかけて、圧縮行程において、及び、燃焼行程において、電界形成電極35に電圧が印加されるとした。しかしながら、電界形成電極35に電圧が印加されるタイミングはこれに限定されない。吸気行程中、または、排気行程中に電圧を印加してもよい。このとき、吸気行程中には吸気弁が開弁し、また、排気行程中には排気弁が開弁しているため、電界形成電極に印加される電圧は比較的低く設定される。一方、吸気弁及び排気弁が閉弁しているとき、電界形成電極に印加される電圧は比較的高く設定される。これにより、効率的に絶縁膜または帯電膜を帯電することができる。
(D) In the first embodiment, the voltage is applied to the electric
(オ)上述の実施形態では、制御部は、圧縮行程において、燃焼室の圧力の大きさに応じて大きくなる電圧を電界形成電極に印加するとした。しかしながら、電圧の大きさはこれに限定されない。 (E) In the above-described embodiment, the control unit applies a voltage that increases in accordance with the pressure in the combustion chamber to the electric field forming electrode in the compression stroke. However, the magnitude of the voltage is not limited to this.
(カ)上述の実施形態では、電界形成電極は複数の突起を有するとした。しかしながら、電界を形成する電極の形状はこれに限定されない。突起がない電極であってもよい。 (F) In the above-described embodiment, the electric field forming electrode has a plurality of protrusions. However, the shape of the electrode forming the electric field is not limited to this. An electrode without protrusions may be used.
(キ)上述の実施形態では、電界形成電極は燃料噴射弁に設けられるとした。しかしながら、電界形成電極が設けられる位置はこれに限定されない。燃焼室の形状に合わせ、シリンダヘッド部またはシリンダライナ部の内壁面に設けられればよい。また、電界形成電極は1個設けられてもよいし、複数設けられてもよい。 (G) In the above-described embodiment, the electric field forming electrode is provided on the fuel injection valve. However, the position where the electric field forming electrode is provided is not limited to this. According to the shape of the combustion chamber, it may be provided on the inner wall surface of the cylinder head portion or the cylinder liner portion. One electric field forming electrode may be provided, or a plurality of electric field forming electrodes may be provided.
(ク)上述の実施形態では、ピストン面はトロイダル状に形成されるとした。しかしながら、ピストン面の形状はこれに限定されない。リエントラント型であってもよいし、皿型であってもよい。 (K) In the above embodiment, the piston surface is formed in a toroidal shape. However, the shape of the piston surface is not limited to this. It may be a reentrant type or a dish type.
(ケ)上述の実施形態では、燃料噴射弁が噴射する燃料は帯電しているとした。しかしながら、燃料は帯電していなくてもよい。 (K) In the above-described embodiment, the fuel injected by the fuel injection valve is charged. However, the fuel may not be charged.
(コ)上述の実施形態では、絶縁膜は酸化アルミニウムから形成されているとした。しかしながら、絶縁膜を形成する材料はこれに限定されない。例えばガラスなどの酸化珪素を主原料とする耐熱性が高い材料であって比較的帯電しやすい絶縁材料または半導体材料であればよい。 (E) In the above-described embodiment, the insulating film is formed of aluminum oxide. However, the material for forming the insulating film is not limited to this. For example, any insulating material or semiconductor material may be used as long as it is a material having high heat resistance, which is mainly made of silicon oxide such as glass, and is relatively easily charged.
以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の形態により実施可能である。 As mentioned above, this invention is not limited to such embodiment, It can implement with a various form in the range which does not deviate from the summary.
1 ・・・エンジン(内燃機関)、
18 ・・・吸気弁、
181 ・・・吸気弁端面、
20 ・・・シリンダ、
22 ・・・燃焼室、
25 ・・・燃料噴射弁(燃料供給手段)、
30 ・・・ピストン、
31 ・・・ピストン面、
32、242、262、182、482・・・絶縁膜、
33、243、263、183、483・・・帯電膜、
35 ・・・電界形成電極(電界形成手段)、
48 ・・・排気弁、
481 ・・・排気弁端面。
1 ... Engine (internal combustion engine),
18 ・ ・ ・ Intake valve,
181 ... Inlet valve end face,
20 ... Cylinder,
22 ... combustion chamber,
25 ... Fuel injection valve (fuel supply means),
30 ・ ・ ・ Piston,
31 ... piston surface,
32, 242, 262, 182, 482 ... insulating film,
33, 243, 263, 183, 483 ... charged film,
35 ... Electric field forming electrode (electric field forming means),
48 ... exhaust valve,
481 ... exhaust valve end face.
Claims (17)
前記ピストンを収容し、前記ピストンの往復移動により容積が可変する燃焼室(22)を形成するシリンダ(20)と、
前記燃焼室に燃料を供給する燃料供給手段(25)と、
前記シリンダに設けられ前記燃焼室に電界を形成する電界形成手段(35)と、
を備え、
前記ピストンは、前記燃焼室を形成するピストン面(31)に帯電可能な絶縁膜(32)が形成されることを特徴とする内燃機関。 A reciprocating piston (30);
A cylinder (20) that houses the piston and forms a combustion chamber (22) whose volume is variable by reciprocating movement of the piston;
Fuel supply means (25) for supplying fuel to the combustion chamber;
Electric field forming means (35) provided in the cylinder for forming an electric field in the combustion chamber;
With
The internal combustion engine, wherein the piston has a chargeable insulating film (32) formed on a piston surface (31) forming the combustion chamber.
前記吸気弁は、前記燃焼室を形成する吸気弁端面(181)に帯電可能な絶縁膜(182)が形成されることを特徴とする請求項1または2に記載の内燃機関。 An intake valve (18) for supplying at least air to the combustion chamber;
The internal combustion engine according to claim 1 or 2, wherein the intake valve has a chargeable insulating film (182) formed on an intake valve end surface (181) forming the combustion chamber.
前記排気弁は、前記燃焼室を形成する排気弁端面(481)に帯電可能な絶縁膜(482)が形成されることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の内燃機関。 An exhaust valve (48) for exhausting the exhaust of the combustion chamber;
The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3, wherein the exhaust valve has a chargeable insulating film (482) formed on an exhaust valve end surface (481) forming the combustion chamber. .
前記燃料供給手段は、帯電した燃料を前記燃焼室に供給することを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の内燃機関。 Charging means (251) for charging fuel supplied to the combustion chamber;
The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 8, wherein the fuel supply means supplies charged fuel to the combustion chamber.
前記電界形成手段は、排気行程、吸気行程、及び、圧縮行程の少なくとも一つ以上の行程において前記燃焼室に電界を形成することを特徴とする内燃機関の制御方法。 A control method for an internal combustion engine according to claim 10,
The method of controlling an internal combustion engine, wherein the electric field forming means forms an electric field in the combustion chamber in at least one of an exhaust stroke, an intake stroke, and a compression stroke.
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