JP2016089688A - 内燃機関の気流制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】残留ガスを増加してシリンダ内の温度を上昇させることにより、排気流中の粒子状物質、粒子数および未燃ＨＣを低減する。
【解決手段】内燃機関１のプラズマアクチュエータ２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄが、吸気ポート７および排気ポート８の少なくとも一方に設けられている。プラズマアクチュエータ２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄは、吸気主流３６に対向する気流および排気主流３８に対向する気流の少なくとも一方を内燃機関１の未暖機時に生成し、シリンダ２内の残留ガスを増加する。これにより、シリンダ２内の温度が上昇するので、噴射した燃料が気化し易くなり、シリンダ内壁やピストン冠面に付着しにくくなる。従って、排気流３８中の粒子状物質、粒子数および未燃ＨＣが低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、吸気ポートおよび排気ポートの少なくとも一方に気流生成デバイスを備えてなる内燃機関の気流制御装置に関する。

特許文献１には、吸気の主流方向と同一方向のブローイング力を生じさせるプラズマアクチュエータを、吸気ポート内に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の作動時には、吸気ポート内において、主流方向の流れが局所的に増大し、これにより、燃焼室内のタンブル流やスワール流が強化される。

従って、このようなプラズマアクチュエータの作動により、圧力損失が低減し、充填効率が向上する。これにより、燃焼室内での燃焼が安定し、シリンダ内の残留ガスが減少する。

特開２０１２−１８０７９９号公報

内燃機関の温度が低い場合、シリンダ内に残留ガスが少ない状態では、シリンダ内の温度が低下し、噴射した燃料が十分に気化せずにシリンダ内壁やピストン冠面に付着し易くなる。このような燃料の付着は、排気流中の粒子状物質（ＰＭ）や粒子数（ＰＮ）を増加させる要因となる。また、排気流には、一般に、未燃ＨＣが含まれている。排気流中の粒子状物質、粒子数および未燃ＨＣを低減するためには、むしろ、残留ガスを増加してシリンダ内の温度を上昇させることにより、噴射した燃料が気化し易いようにすることが必要である。

本発明は、吸気ポートおよび排気ポートの少なくとも一方に気流生成デバイスを備えてなる内燃機関の気流制御装置であって、気流生成デバイスは、内燃機関の未暖機時に、シリンダ内の残留ガスを増加するように、吸気主流に対向する気流および排気主流に対向する気流の少なくとも一方を生成する。

吸気ポート内では、吸気主流に対向する気流を気流生成デバイスが生成することにより、燃焼室へと供給される吸気が減少し、シリンダ内で高温の残留ガスが増加する。

一方、排気ポート内では、排気主流に対向する気流を気流生成デバイスが生成することにより、燃焼室から出る排気が減少し、同様に、シリンダ内で高温の残留ガスが増加する。

本発明によれば、内燃機関の未暖機時の気流生成デバイスの作動に伴ってシリンダ内で高温の残留ガスが増加し、シリンダ内の温度が上昇するので、噴射した燃料が気化し易くなり、シリンダ内壁やピストン冠面に付着しにくくなる。従って、排気流中の粒子状物質、粒子数および未燃ＨＣが低減する。

本発明の一実施例の筒内直接噴射式内燃機関の説明図である。 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。 内燃機関の未暖機時の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。

以下、図面を参照して、本発明の一実施例を説明する。

図１には、本発明の一実施例の筒内直接噴射式内燃機関（以下、「内燃機関」という）１が示されている。内燃機関１は、シリンダ２を形成するシリンダブロック３と、該シリンダブロック３の上面に固定されたシリンダヘッド４と、を備えている。シリンダ２には、ピストン５が摺動可能に配置されている。シリンダヘッド４には、吸気ポート７および排気ポート８が形成されており、シリンダヘッド４の下面に凹設された例えばペントルーフ型の燃焼室９へと開口している。吸気ポート７の先端は吸気弁１０によって開閉され、排気ポート８の先端は排気弁１１によって開閉される。吸気弁１０および排気弁１１の開閉時期は、吸気弁１０側および排気弁１１側の可変バルブタイミング機構（ＶＴＣ）１２，１３によってそれぞれ制御される。図１には、吸気弁１０および排気弁１１の双方が開かれた状態で示されている。燃焼室９の中央には、点火プラグ１４が配置されている。燃焼室９の吸気ポート７の下側に、燃料噴射弁１５が配置されている。また、シリンダブロック３には、ウォータジャケット１６が設けられている。ウォータジャケット１６には、該ウォータジャケット１６内の水温Ｔ_Wを検出する水温センサ１７が取り付けられている。

また、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１８には、水温センサ１７のほか、吸気圧センサ１９、油温センサ２０、クランク角センサ２１およびエアフロメータ２２などのセンサ類からの信号が入力される。エンジンコントロールユニット１８は、各センサの信号に基づいて所定の演算処理を実行し、演算結果として得られた制御信号を後述のプラズマアクチュエータ２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄや可変バルブタイミング機構１２，１３に出力する。さらに、エンジンコントロールユニット１８は、点火プラグ１４および燃料噴射弁１５を制御する。

吸気ポート７のポート壁面における上側の上面部７Ａには、気流生成デバイスとして第１のプラズマアクチュエータ２３Ａが配置されており、ポート壁面における下側の下面部７Ｂには、気流生成デバイスとして第２のプラズマアクチュエータ２３Ｂが配置されている。

一方、排気ポート８のポート壁面における上側の上面部８Ａには、気流生成デバイスとして第３のプラズマアクチュエータ２３Ｃが配置されており、ポート壁面における下側の下面部８Ｂには、気流生成デバイスとして第４のプラズマアクチュエータ２３Ｄが配置されている。

ここで、図２を参照して、プラズマアクチュエータ２３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２３は、吸気ポート７や排気ポート８のような気体通路２４内に露出するように誘電体２５上に配置された表面電極２６と、該表面電極２６とは反対側となる誘電体２５の裏面に配置された裏面電極２７と、を備えている。これらの電極２６，２７は、誘電体２５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２８を有した電気回路２９内の交流電源３０により、これらの表面電極２６と裏面電極２７との間に交流電圧Ｖａを印加することによって、誘電体２５のバリア放電により、誘電体２５の付近の放電領域３１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２６から裏面電極２７へ向かうブローイング力３２が発生する。このブローイング力３２は、交流電源３０から印加される交流電圧Ｖａに応じて変化するので、気流制御部３３により交流電源３０の動作を制御することで、気体通路２４内の表面電極２６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。

再び図１を参照すると、吸気ポート７のポート壁面における上面部７Ａ側において、第１のプラズマアクチュエータ２３Ａは、流路３４に向かって露出する表面電極２６Ａと、表面電極２６Ａとは反対側となる誘電体２５Ａの裏面に配置された裏面電極２７Ａと、を有し、表面電極２６Ａが裏面電極２７Ａよりも下流側に配置されている。また、吸気ポート７のポート壁面における下面部７Ｂ側において、第２のプラズマアクチュエータ２３Ｂは、流路３４に向かって露出する表面電極２６Ｂと、該表面電極２６Ｂとは反対側となる誘電体２５Ｂの裏面に配置された裏面電極２７Ｂと、を有し、表面電極２６Ｂが裏面電極２７Ｂよりも下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２３Ａと第２のプラズマアクチュエータ２３Ｂとは、流路３４に沿って互いに同じ向きに配置されている。また、第１のプラズマアクチュエータ２３Ａの裏面電極２７Ａは、第２のプラズマアクチュエータ２３Ｂの裏面電極２７Ｂよりも下流側に配置されている。

一方、排気ポート８のポート壁面における上面部８Ａ側において、第３のプラズマアクチュエータ２３Ｃは、流路３５に向かって露出する表面電極２６Ｃと、表面電極２６Ｃとは反対側となる誘電体２５Ｃの裏面に配置された裏面電極２７Ｃと、を有し、表面電極２６Ｃが裏面電極２７Ｃよりも下流側に配置されている。また、排気ポート８のポート壁面における下面部８Ｂ側において、第４のプラズマアクチュエータ２３Ｄは、流路３５に向かって露出する表面電極２６Ｄと、該表面電極２６Ｄとは反対側となる誘電体２５Ｄの裏面に配置された裏面電極２７Ｄと、を有し、表面電極２６Ｄが裏面電極２７Ｄよりも下流側に配置されている。つまり、第３のプラズマアクチュエータ２３Ｃと第４のプラズマアクチュエータ２３Ｄとは、流路３５に沿って互いに同じ向きに配置されている。また、第３のプラズマアクチュエータ２３Ｃの表面電極２６Ｃは、第４のプラズマアクチュエータ２３Ｄの表面電極２６Ｄよりも上流側に配置されている。

なお、プラズマアクチュエータ２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄにおいて、誘電体２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄは、上面部７Ａ，８Ａ側および下面部７Ｂ，８Ｂ側の凹部に埋設されており、誘電体２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄ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、上面部７Ａ，８Ａおよび下面部７Ｂ，８Ｂの付近を流れる気体の通気抵抗が抑制される。

吸気ポート７において、第１のプラズマアクチュエータ２３Ａの作動時には、誘電体２５Ａのバリア放電により、誘電体２５Ａの付近の放電領域３１Ａでプラズマが発生し、吸気ポート７の流路３４内において、吸気の主流方向（矢印３６）とは逆方向のブローイング力３２Ａが発生する。この逆方向のブローイング力３２Ａにより、上面部７Ａに沿って吸気ポート７の下流側から上流側へと流れる気流が生成される。同様に、第２のプラズマアクチュエータ２３Ｂの作動時には、誘電体２５Ｂのバリア放電により、誘電体２５Ｂの付近の放電領域３１Ｂでプラズマが発生し、吸気ポート７の流路３４内において、吸気の主流方向とは逆方向のブローイング力３２Ｂが発生する。この逆方向のブローイング力３２Ｂにより、下面部７Ｂに沿って吸気ポート７の下流側から上流側へと流れる気流が生成される。

上記の第１のプラズマアクチュエータ２３Ａおよび第２のプラズマアクチュエータ２３Ｂは、基本的に内燃機関１の未暖機時に駆動される。プラズマアクチュエータ２３Ａ，２３Ｂにより生成された気流は、上面部７Ａおよび下面部７Ｂに沿って吸気流３６に対向するように吸気ポート７の下流側から上流側へと流れるので、燃焼室９内に供給される吸気流３６が抑制される。従って、シリンダ２内で高温の残留ガスが増加し、シリンダ２内の温度が上昇するので、燃料噴射弁１５により噴射した燃料が気化し易くなる。これにより、燃料がシリンダ内壁やピストン冠面に付着しにくくなり、排気流３８中の粒子状物質や粒子数を低減することができる。また、残留ガスの増加は、排気流３８中の未燃ＨＣを低減することにも寄与する。

さらに、上記のように吸気流３６が抑制された状態では、燃焼室９から吸気ポート７へと逆流する未燃ＨＣを含む排気ガス３７が増加する。そして、この排気ガス３７中の未燃ＨＣは、次のサイクルの燃焼行程で燃焼する。このようなプラズマアクチュエータ２３Ａ，２３Ｂの作動による排気ガス３７の吸気ポート７側への吹き戻しの増加によっても、未燃ＨＣが低減する。

排気ポート８において、第３のプラズマアクチュエータ２３Ｃの作動時には、誘電体２５Ｃのバリア放電により、誘電体２５Ｃの付近の放電領域３１Ｃでプラズマが発生し、排気ポート８の流路３５内において、排気の主流方向（矢印３８）とは逆方向のブローイング力３２Ｃが発生する。この逆方向のブローイング力３２Ｃにより、上面部８Ａに沿って排気ポート８の下流側から上流側へと流れる気流が生成される。同様に、第４のプラズマアクチュエータ２３Ｄの作動時には、誘電体２５Ｄのバリア放電により、誘電体２５Ｄの付近の放電領域３１Ｄでプラズマが発生し、排気ポート８の流路３５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３２Ｄが発生する。この逆方向のブローイング力３２Ｄにより、下面部８Ｂに沿って排気ポート８の下流側から上流側へと流れる気流が生成される。

上記の第３のプラズマアクチュエータ２３Ｃおよび第４のプラズマアクチュエータ２３Ｄは、基本的に内燃機関１の未暖機時に駆動される。プラズマアクチュエータ２３Ｃ，２３Ｄにより生成された気流は、上面部８Ａおよび下面部８Ｂに沿って排気流３８に対向するように排気ポート８の下流側から上流側へと流れるので、燃焼室９から出る排気流３８が抑制される。従って、第１のプラズマアクチュエータ２３Ａおよび第２のプラズマアクチュエータ２３Ｂを作動した場合と同様に、シリンダ２内で高温の残留ガスが増加し、シリンダ２内の温度が上昇する。これにより、排気ポート８側のプラズマアクチュエータ２３Ｃ，２３Ｄの作動によっても、排気流３８中の粒子状物質、粒子数および未燃ＨＣを低減することができる。また、上記のように排気流３８が抑制された状態では、燃焼室９から排気ポート８へと出た未燃ＨＣを含む排気ガス３９の一部が、燃焼室９へと吸い戻される。そして、この吸い戻された排ガス３９中の未燃ＨＣは、次のサイクルの燃焼行程で燃焼する。従って、このような排気ガス３９の吸い戻し作用によっても、未燃ＨＣが低減する。

次に、図３のフローチャートを参照して、油温Ｔ_oilに応じたプラズマアクチュエータ２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄの制御について説明する。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、水温センサ１７（図１）により検出されるウォータジャケット１６内の水温Ｔ_Wを、エンジンコントロールユニット１８内に格納された水温閾値Ｔ_W1と比較する。ここで、水温閾値Ｔ_W1は、例えば、内燃機関１の暖機が完了したとみなし得る温度である。そして、水温Ｔ_Wが水温閾値Ｔ_W1よりも低い場合には、ステップＳ２に進み、ＶＴＣ１２，１３による残留ガス増加制御を行う。この残留ガス増加制御は、バルブオーバラップを積極的に大きくするようにしてシリンダ２内の残留ガスを増加させるものである。

次に、ステップＳ３に進み、油温センサ２０（図１）により検出される油温Ｔ_oilを、エンジンコントロールユニット１８内に格納された油温閾値Ｔ_oil1と比較する。ここで、油温閾値Ｔ_oil1は、ＶＴＣ１２，１３の作動が可能となり得る温度である。そして、油温Ｔ_oilが油温閾値Ｔ_oil1よりも低い場合には、ステップＳ４に進み、ＶＴＣ１２，１３が作動していないものとみなして、プラズマアクチュエータ２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄを作動する。ここでは、最大の交流電圧Ｖａを印加する。これにより、吸気ポート７内の吸気流３６および排気ポート８内の排気流３８が抑制され、シリンダ２内の残留ガスが増加する。

また、ステップＳ３において、油温Ｔ_oilが油温閾値Ｔ_oil1以上の場合には、ＶＴＣ１２，１３が作動し始めていると考えられるので、ステップＳ５に進み、吸気弁開時期（ＩＶＯ）、排気弁閉時期（ＥＶＣ）、吸気圧および排気圧を用いて、シリンダ２内の残留ガス量を演算する。ここで、吸気弁開時期および排気弁閉時期は、カムシャフト（図示せず）に設けられたカム角センサ（図示せず）により検出される。吸気圧は、吸気コレクタなどに設けられた吸気圧センサ１９（図１）により検出される。また、排気圧は、エアフロメータ２２（図１）により検出された吸入空気量を用いて推定される。次に、演算した残留ガス量に基づいて、シリンダ２内の残留ガス量の不足分を推定する。油温Ｔ_oilが油温閾値Ｔ_oil1に達すると、ＶＴＣ１２，１３が作動して残留ガス量の増加が開始されるが、ＶＴＣ１２，１３の位相が目標値に達していない場合には、残留ガス量が不足し得る。従って、ステップＳ５における残留ガス量の不足分の推定は、ＶＴＣ１２，１３による残留ガス量の不足分をプラズマアクチュエータ２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄの作動により補うために行われる。

次に、ステップＳ６に進み、ステップ５で推定した残留ガス量の不足分に応じて、プラズマアクチュエータ２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄに印加する交流電圧Ｖａを算出する。

また、ステップＳ１において、水温Ｔ_Wが水温閾値Ｔ_W1以上の場合即ち内燃機関１の暖機完了後には、ステップＳ７に進み、ＶＴＣ１２，１３の通常制御を行う。

なお、上記のフローチャートでは、吸気ポート７側のプラズマアクチュエータ２３Ａ，２３Ｂおよび排気ポート８側のプラズマアクチュエータ２３Ｃ，２３Ｄの双方を作動する例を開示したが、吸気ポート７側および排気ポート８側の一方の側のみのプラズマアクチュエータを作動するようにしても良い。

また、プラズマアクチュエータ２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄを作動する際には、これらのプラズマアクチュエータ２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄを連続的に作動するようにしても良い。あるいは、吸気行程の間のみプラズマアクチュエータ２３Ａ，２３Ｂを作動するか、排気行程の間のみプラズマアクチュエータ２３Ｃ，２３Ｄを作動するようにしても良い。

１・・・内燃機関
７・・・吸気ポート
８・・・排気ポート
９・・・燃焼室
１２・・・可変バルブタイミング機構（ＶＴＣ）
１３・・・可変バルブタイミング機構（ＶＴＣ）
１８・・・エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
２３（２３Ａ〜２３Ｄ）・・・プラズマアクチュエータ
３６・・・吸気流
３８・・・排気流

Claims (5)

1. 吸気ポートおよび排気ポートの少なくとも一方に気流生成デバイスを備え、内燃機関の未暖機時に、シリンダ内の残留ガスを増加するように、吸気主流に対向する気流および排気主流に対向する気流の少なくとも一方を生成する、内燃機関の気流制御装置。
2. 気流生成デバイスとして上記吸気ポートにプラズマアクチュエータが設けられており、このプラズマアクチュエータは、吸気主流に対向する気流を生成することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の気流制御装置。
3. 気流生成デバイスとして上記排気ポートにプラズマアクチュエータが設けられており、このプラズマアクチュエータは、排気主流に対向する気流を生成することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の気流制御装置。
4. 気流生成デバイスとして上記吸気ポートにプラズマアクチュエータが設けられており、このプラズマアクチュエータは、吸気主流に対向する気流を生成し、
   気流生成デバイスとして上記排気ポートに第２のプラズマアクチュエータが設けられており、この第２のプラズマアクチュエータは、排気主流に対向する気流を生成することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の気流制御装置。
5. 上記内燃機関は、油圧式可変バルブタイミング機構を備え、
   油温が油温閾値よりも低い場合には、気流生成デバイスの作動によりシリンダ内の残留ガスを制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の気流制御装置。

Images