JP2016138468A

JP2016138468A - 内燃機関の気流制御装置

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Publication number: JP2016138468A
Application number: JP2015012423A
Authority: JP
Inventors: 伊藤　弘和; Hirokazu Ito; 弘和伊藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-01-26
Filing date: 2015-01-26
Publication date: 2016-08-04
Anticipated expiration: 2035-01-26
Also published as: US9835122B2; US20160215709A1; JP6260546B2

Abstract

【課題】プラズマアクチュエータを有効に機能させることができる内燃機関の気流制御装置を提供する。【解決手段】吸気通路に設けられ、吸気通路の下流側に向かう方向の気流を誘起するプラズマアクチュエータ２０と、プラズマアクチュエータ又はその上流位置に向けて燃料を噴射するように吸気通路に設けられたポート噴射用燃料噴射弁１９と、プラズマアクチュエータ及び前記ポート噴射用燃料噴射弁を制御するための制御ユニット１００とを備える。制御ユニットは、吸気弁７の閉弁期間のうちの少なくとも一部の期間に、ポート噴射用燃料噴射弁１９による燃料噴射作動とプラズマアクチュエータ２０の作動とを行わせるのに加え、吸気弁７の開弁の後にプラズマアクチュエータ２０を作動させるように構成されている。さらに、プラズマアクチュエータの表面に水が付着しているか否かを判定する判定手段を備え、水付着と判定された場合に限り、ポート噴射作動とプラズマアクチュエータ作動とを行わせる。【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の気流制御装置に係り、特に、吸気通路に設けられ気流の向きや強さを制御するプラズマアクチュエータを備える内燃機関の気流制御装置に関する。

車両用の内燃機関等において、バルブ等の可動部を設けることなく、気体通路内の流れを制御可能とするために、気体通路内にプラズマアクチュエータを設け、その電気的作用によって気体通路内の気体の流れを制御するようにしたものが知られている（特許文献１、２参照）。

ここで用いられているプラズマアクチュエータとは、気体通路内に露出して配置される表面電極と、この表面電極に対して誘電体を挟んで配置される裏面電極とを有し、これらの表面電極と裏面電極との間に交流電圧を印加することにより生ずる誘電体のバリア放電によって、表面電極から裏面電極に向かう気流を発生させて、気体通路内の気体の流れを制御するものである。

特開２０１２−１７０３５号公報特開２０１１−１４２０２５号公報

ところで、かかるプラズマアクチュエータにおいては、その表面に誘電率の高い物質である水等が付着すると、この付着領域においては所望のイオン流（プラズマ）が発生せず、気流を誘起するアクチュエータとして期待通りには機能しなくなるという問題がある。このことは特に、内燃機関の吸気が高い湿度を有する場合や、機関運転条件などに起因して吸気中に凝縮水が発生するような場合に、これらの凝縮水の水滴がプラズマアクチュエータの表面に付着すると、この付着箇所には気流が誘起されずプラズマアクチュエータによる所望の気流を発生させることができなくなることを意味する。

そこで本発明は上記事情に鑑みて創案され、その目的は、プラズマアクチュエータを有効に機能させることができる内燃機関の気流制御装置を提供することである。

上記目的を達成する本発明の内燃機関の気流制御装置の一形態は、吸気通路に設けられ、作動されることで気流を誘起するプラズマアクチュエータと、前記プラズマアクチュエータ又はその上流位置に向けて燃料を噴射するように吸気通路に設けられたポート噴射用燃料噴射弁と、前記プラズマアクチュエータ及び前記ポート噴射用燃料噴射弁を制御するための制御ユニットと、を備え、前記制御ユニットは、吸気弁の閉弁期間のうちの少なくとも一部の期間に、前記ポート噴射用燃料噴射弁による燃料噴射作動と、前記吸気通路の下流側に向かう方向の気流を誘起するように前記プラズマアクチュエータの作動とを行わせるのに加え、前記吸気弁の開弁の後に前記プラズマアクチュエータを作動させるように構成されている。

上記目的を達成する本発明の内燃機関の気流制御装置の他の形態は、吸気通路に設けられ、作動されることで気流を誘起するプラズマアクチュエータと、前記プラズマアクチュエータ又はその上流位置に向けて燃料を噴射するように吸気通路に設けられたポート噴射用燃料噴射弁と、筒内に直接に燃料を噴射するように設けられた筒内噴射用燃料噴射弁と、前記プラズマアクチュエータ及び前記両燃料噴射弁を制御するための制御ユニットと、を備え、前記制御ユニットは、前記吸気弁の閉弁期間のうちの少なくとも一部の期間に、前記ポート噴射用燃料噴射弁による燃料噴射作動と、前記吸気通路の下流側に向かう方向の気流を誘起するように前記プラズマアクチュエータの作動とを行わせるのに加え、前記吸気弁の開弁後の開弁期間中に前記プラズマアクチュエータを作動させると共に前記筒内噴射用燃料噴射弁による燃料噴射作動を行わせるように構成されている。

上記一及び他の形態によれば、吸気弁の閉弁期間のうちの少なくとも一部の期間に、吸気通路に設けられたプラズマアクチュエータ又はその上流位置に向けてポート噴射用燃料噴射弁から燃料が噴射作動され、当該プラズマアクチュエータが作動される。そして、前記吸気弁の開弁の後に前記プラズマアクチュエータが作動される。したがって、当該プラズマアクチュエータの表面に水が付着していた場合でも、この吸気弁の閉弁期間におけるポート噴射用燃料噴射弁からの燃料噴射作動とプラズマアクチュエータの作動とによって、付着水が除去される。この結果、前記吸気弁の開弁後における前記プラズマアクチュエータの作動時には、気流を誘起するアクチュエータとして十分に機能させることができる。

上記両形態の内燃機関の気流制御装置は、プラズマアクチュエータの表面に水が付着しているか否かを判定する判定手段をさらに備え、前記制御ユニットは、当該判定手段により水が付着していると判定された場合に限り、前記吸気弁の閉弁期間のうちの少なくとも一部の期間に、前記ポート噴射用燃料噴射弁による燃料噴射作動と、前記吸気通路の下流側に向かう方向の気流を誘起するように前記プラズマアクチュエータの作動とを同時に行わせるように構成されていてもよい。

この形態によれば、判定手段によりプラズマアクチュエータの表面に水が付着していると判定された場合に限り、吸気弁の閉弁期間での、ポート噴射用燃料噴射弁による燃料噴射作動とプラズマアクチュエータの作動とが行われる。したがって、水は付着していないと判定される場合には、プラズマアクチュエータは作動されないので、電力の無用な消費を節約することができる。

なお、前記判定手段は、前記吸気通路内の吸気の湿度を計測するべく設けられた湿度センサの計測値に基づいて判定してもよい。さらに、前記判定手段は、外気の湿度及び温度、EGRガスのEGRクーラ出口での温度及びEGR率、及び吸気マニフォールド内の吸気の温度を用いて、後述のプラズマアクチュエータの表面への水の付着を推定する手段による推定結果に基づいて判定してもよい。

本発明によれば、プラズマアクチュエータを有効に機能させることができる内燃機関の気流制御装置を提供することができる。

ポート噴射用燃料噴射弁のみを備える内燃機関に本発明を適用した第１実施形態の構成を示す概略断面図である。本発明に用いられるプラズマアクチュエータの一例を示す断面図である。（Ａ）プラズマアクチュエータに水が付着した状態を示すポート部の概略断面図、及び（Ｂ）そのプラズマアクチュエータ部の拡大断面図である。（Ａ）プラズマアクチュエータに付着した水と燃料を移動させるために、プラズマアクチュエータが作動している時の様子を示すポート部の概略断面図、及び（Ｂ）そのプラズマアクチュエータ部の拡大断面図である。プラズマアクチュエータが作動すると共に吸気弁が開いている時の様子を示すポート部の概略断面図である。本発明の第１実施形態の制御の内容を示すタイムチャートである。ポート噴射用燃料噴射弁及び筒内噴射用燃料噴射弁を備える内燃機関に本発明を適用した第２の実施形態の構成を示す概略断面図である。本発明の第２実施形態の制御の内容を示すタイムチャートである。排気ガス還流装置（EGR装置）を備える内燃機関に本発明を適用した第３の実施形態の構成を示す概略断面図である。本発明の第３実施形態の制御の一例を示すフローチャートである。本発明の第４実施形態に用いるプラズマアクチュエータの一変形例を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき説明する。

［第１実施形態］
図１に、本発明を吸気通路（ポート）内に向けて燃料を噴射するポート噴射用燃料噴射弁のみを備える内燃機関（エンジン）に適用した第１の実施形態の構成を概略的に示す。内燃機関１は車両に搭載され、多気筒（１気筒のみ図示）の火花点火式内燃機関（ガソリンエンジン）として構成されている。但しエンジンの種類、気筒数、シリンダ配置形式（直列、Ｖ型、水平対向等）、着火方式等は特に限定されず、例えばエンジンは圧縮着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）であってもよい。車両の種類、用途等も特に限定されず、例えば車両はエンジン１を唯一の動力源とする通常の車両であってもよいし、エンジン１と電気モータとの２つの動力源を備えるハイブリッド車両であってもよい。本実施形態においては、車両およびエンジンを制御するように構成された制御ユニットとしての電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）１００が設けられる。

エンジン１のシリンダブロック２に形成されたシリンダ２ａ内にはピストン３が往復動可能に収容され、ピストン３はコンロッド４を介してクランクシャフト（図示せず）に連結されている。エンジン１のシリンダヘッド５には、吸気通路の一部をなす吸気ポート６と、排気通路の一部をなす排気ポート８とがそれぞれ画成されている。吸気ポート６の出口６Ｂが吸気弁７により、排気ポート８の入口が排気弁９により、それぞれ開閉される。吸気弁７および排気弁９は、吸気バルブスプリング１２および排気バルブスプリング１３によってそれぞれ常時閉弁方向に付勢されると共に、吸気カムシャフト１０および排気カムシャフト１１によってそれぞれ開弁方向に駆動される。カムシャフト１０，１１は動力伝達機構を介してクランクシャフトに連結される。シリンダヘッド５の頂部には、シリンダ２ａ内の燃焼室１４に存在する混合気に点火するための点火プラグ１５が取り付けられている。なお、吸気弁７および排気弁９の少なくとも一方の開弁特性を変更するための可変バルブ機構（例えば可変バルブタイミング機構）が設けられてもよい。

吸気ポート６の上流側には、吸気通路の一部をなす吸気マニフォールドもしくは枝管（図示せず）が接続される。この枝管の上流側には吸気集合室であるサージタンク（図示せず）が接続され、これも吸気通路の一部をなす。「吸気通路」とは、吸気が流れる通路を総称した用語である。同様に「排気通路」とは、排気が流れる通路を総称した用語である。

当該吸気通路の一部をなす吸気ポート６の出口６Ｂ近傍の内壁面６Ａには、後で詳述するように、吸気通路の下流側に向かう方向の気流を誘起するプラズマアクチュエータ２０が設けられている。一方、吸気ポート６に燃料を噴射するポート噴射用燃料噴射弁１９が、プラズマアクチュエータ２０ないしはその少なくともやや上流位置に向けて燃料を噴射するべく、シリンダヘッド５に取り付けられている。

点火プラグ１５およびポート噴射用燃料噴射弁１９はＥＣＵ１００に電気的に接続され、ＥＣＵ１００によって制御される。本第１の実施形態では、エンジン１のクランク角を検出するためのクランク角センサ４１と、エンジン１の吸気の湿度を検出するために吸気マニフォールド又は吸気ポート６に配置された湿度センサ４２とがＥＣＵ１００に電気的に接続されている。

特に本実施形態では、プラズマアクチュエータ２０に電気的エネルギを供給するための電源３１を含む電源装置３０が設けられている。この電源装置３０もＥＣＵ１００に電気的に接続されている。ＥＣＵ１００は、電源装置３０を制御することにより、電源装置３０からプラズマアクチュエータ２０に供給される電気的エネルギの大きさを変化させたり、プラズマアクチュエータ２０の作動を切替える。

ここで、本実施形態のプラズマアクチュエータ２０について説明する。なおプラズマアクチュエータ自体は公知であるので、ここではその基本的構成及び作動原理等を概略説明するに留める。

図２に示すように、プラズマアクチュエータ２０は、表面電極２１および裏面電極２２からなる一対の電極と、これら一対の電極の間に配置された薄板状の誘電体２３とを含んで構成されている。裏面電極２２は表面電極２１に対し両電極の対向側エッジ間に隙間が形成されるように図示の矢印Ｄ方向にオフセットされて整列されている。この矢印Ｄの方向は、本実施形態では吸気通路の下流側である。

いま仮に、表面電極２１と裏面電極２２との間に電気的エネルギ、具体的には高圧で高周波数の交流電圧が電源３１から印加されると、表面電極２１の裏面電極２２への対向側エッジ付近で且つ誘電体２３の表面付近にプラズマが発生する。このプラズマに起因して、表面電極２１側から裏面電極２２側に向かう方向に空気を流す駆動力（ブローイング力）が発生し、誘電体２３の表面上に矢印Ｄで示されるような気流が誘起される。この気流は、誘電体２３の表面から極近い（１〜２ｍｍ程度）領域で発生する。かかる気流を便宜上、「アクチュエータ気流」と称す。

なお、このような気流が発生する原理については諸説があるが、一説によれば、例えば表面電極２１が正の電位を有するとき、誘電体２３の表面付近で空気の絶縁破壊が起こり、これにより電離が生じ、弱電離プラズマが発生する。電子は移動度が高いためごく短時間で表面電極２１に移動する。すると正のイオンが過剰になり、印加した電界によって静電力が発生する。イオンが受けた静電力は、衝突によって中性粒子に伝達される。これを連続流体の視点から見ると、その空間に体積力（ブローイング力）が発生することとなる。表面電極２１が負の電位を持つ場合も同じ向きにブローイング力が発生するが、これには酸素の負イオンが大きな役割を果たしているとの説がある。

プラズマアクチュエータ２０は、表面電極２１が設置される表面部が、気流の発生が望まれるガス通路内、すなわち吸気ポート６内に臨むよう設置される。他方、プラズマアクチュエータ２０の裏面部は気流を発生させる必要が無く、むしろ吸気ポート内壁面６Ａへの付着面をなすので、裏面電極２２を電気的に絶縁するため、裏面電極２２は誘電体２３の裏面２３Ｂ上に形成された絶縁層２５内に埋設されている。絶縁層２５もプラズマアクチュエータ２０の一部である。なお誘電体２３は、樹脂系やセラミック系の絶縁性材料で形成されているため、裏面電極２２を誘電体２３の中に埋設してもよい。

電源装置３０は、ＥＣＵ１００からの指令信号に基づき出力電圧を変化させる。電源３１から出力される交流電圧は、例えば１〜１０ｋＶ程度の高電圧であり、１〜１０ｋＨｚ程度の周波数を有する。なお交流電圧の代わりに直流パルス電圧を出力させてもよい。電源３１から出力される電圧値を変化させることにより、すなわちプラズマアクチュエータ２０に印加する電圧の大きさを変化させることにより、プラズマアクチュエータ２０が発生する駆動力の大きさ、ひいては気流の強度を変化させることができる。より高い値の電圧を印加するほど、プラズマアクチュエータ２０が発生する気流の強度は大きくなる。なお気流強度を変化させるため、電圧の大きさに加えもしくはその代わりに、電圧の周波数を変化させることも考えられるが、ここでは便宜上電圧の大きさのみを変化させるものとする。

プラズマアクチュエータの厚さＴは非常に薄く、数μｍ〜数百μｍのオーダーである（図中の電極等は誇張して描かれている）。従ってプラズマアクチュエータを吸気ポート６の内壁面６Ａ上に設置した場合でも、プラズマアクチュエータは吸気の流れを実質的に妨げない。

なお、プラズマアクチュエータ２０は、燃焼室１４内に発生される所望のスワール流又はタンブル流を機関の運転状態に応じて適切に強化するようなアクチュエータ気流を生じさせるために、吸気ポート６の内壁面６Ａの適切な位置に配置されるものである。従ってプラズマアクチュエータ２０も、強化対象の流れに対応させて吸気ポート６の内壁面６Ａの周方向位置の一部（図１参照）に単数又は流れ方向に沿って複数個設けるか、あるいは全周に亘って設けてもよい。

さて、内燃機関においては、吸気の相対湿度や運転条件などに起因して、吸気中に凝縮水が発生することがある。例えば、過給エンジンにおいて、吸気の温度が２５℃で、相対湿度が８０％の場合、過給圧１５０ｋPaでの露点は３５℃となるので、容易に凝縮水が発生することがある。これらの凝縮水がプラズマアクチュエータ２０の表面に付着すると、水は誘電率が高く、その水滴が付着した部分にはプラズマ（イオン流）が発生しないので、プラズマアクチュエータ２０はまだら状態での動作しかできずに効率が低下し、所望のアクチュエータ気流を生じさせることができないという問題がある。

このことは特に、内燃機関が排気ガス還流装置（EGR装置と称す）を備えて吸気中にEGRガスが含まれる場合に顕著である。EGR装置を備える場合には、吸気の湿度がさらに高くなり易く、上述の過給圧よりも低い圧力条件でも凝縮水が発生するからである。

しかし、本実施形態によればこの問題を解決可能である。すなわち、図６に示すように、本実施形態においてＥＣＵ１００は、吸気弁７の開弁の前の閉弁期間のうちの少なくとも一部の期間において、燃料噴射弁１９による燃料噴射作動とプラズマアクチュエータ２０の作動とを同時に行わせ、そして、吸気弁７の開弁後に、再度、プラズマアクチュエータ２０が作動されるように制御するからである。

今、プラズマアクチュエータ２０の表面に、図３に示されるように、多数の水滴Ｗdが付着している場合につき説明する。かかる状態でプラズマアクチュエータ２０を作動させても、所望のアクチュエータ気流を生じさせることができないことは上述のとおりである。しかし、本実施形態においては、吸気弁７の閉弁期間のうちの少なくとも一部の期間に、燃料噴射弁１９によってプラズマアクチュエータ２０又はその上流位置に向けて燃料が噴射されると共に、プラズマアクチュエータ２０が作動される。プラズマアクチュエータ２０の表面上に直接に噴射された燃料、又はプラズマアクチュエータ２０の上流位置に噴射され吸気通路６の内壁面６Ａの傾斜によりプラズマアクチュエータ２０の表面上に流下してきた燃料は、例えば図４に示されるように、多数の水滴Ｗdの間、又は隣に燃料滴Ｆdとして存することになる。

そこで、プラズマアクチュエータ２０が作動されると、燃料滴Ｆdは低誘電率物質であるから、プラズマアクチュエータ２０の作動によりイオン流が発生し、このイオン流に誘起されて燃料滴Ｆdが矢印Ｄのアクチュエータ気流方向に移動する。この燃料滴Ｆdの移動は、吸気通路６の内壁面６Ａの傾斜と相俟って、水滴Ｗdを吸気通路６の下流側に移動させる。従って、プラズマアクチュエータ２０の作動を所定期間継続させると、全ての水滴Ｗdがプラズマアクチュエータ２０から押し出される。換言すると、プラズマアクチュエータ２０の表面から水滴Ｗdが除去される。なお、この除去された水及び未気化の燃料は、図４（Ａ）に示されるように、吸気ポート６の出口６Ｂと吸気弁７のヘッド裏面との間の凹部６０に溜まり、吸気弁７の開弁時に筒内に流入される。

ここで、図６を参照して、エンジンがポート噴射用燃料噴射弁のみを備える実施形態におけるいくつかの制御例（１）乃至（３）の具体的内容を説明する。

ＥＣＵ１００は、制御例（１）乃至（３）のいずれの場合も、クランク角センサ４１によって検出されたクランク角が所定の噴射開始時期（ｔ１）になったとき、ポート噴射用燃料噴射弁である燃料噴射弁１９に噴射指令信号を送信し、燃料噴射弁１９による燃料噴射を開始させる。これと同時に、ＥＣＵ１００は、電源３１から高周波の交流電圧を印加させてプラズマアクチュエータ２０の作動を開始させる。これにより上述したような、プラズマアクチュエータ２０の表面からの水滴Ｗdの除去作用が開始され、ＥＣＵ１００はこの状態を、時期（ｔ３）までの所定の期間継続する。

燃料噴射弁１９による燃料噴射の停止に関しては、制御例（１）では、プラズマアクチュエータ２０の作動停止時期（ｔ３）より前の時期（ｔ２）で燃料噴射が終了される。また、制御例（２）では、プラズマアクチュエータ２０の作動停止時期（ｔ３）より後であるが、吸気弁７の開弁開始時期（ｔ５）よりも前の時期（ｔ４）で燃料噴射が終了される。さらに、制御例（３）では、吸気弁７の開弁開始（ｔ５）後も燃料噴射が継続して実行され、吸気弁７の閉弁より前の時期（ｔ６）で終了される。なお、制御例（１）では、時期（ｔ１）から時期（ｔ２）にかけて実行される燃料噴射（以下、予備噴射と称す）に加えて、吸気弁７の開弁開始時期（ｔ５）から所定時期（ｔ７）までに所定量の燃料噴射（以下、本噴射と称す）が実行される。この本噴射は、エンジンの運転条件に応じて要求される出力トルクを得るために設定された燃料噴射量を、予備噴射と共に満たすために行われる。

上述の制御例（２）では、吸気弁７の閉弁中の時期（ｔ１）から時期（ｔ４）にかけて、吸気弁７の開きに同期しない所謂非同期噴射により、上述の予備噴射と残りの本噴射とが連続して実行されている例、及び制御例（３）では、時期（ｔ１）から時期（ｔ６）にかけて、上記非同期噴射と吸気弁７の開弁後の所謂同期噴射による予備噴射と残りの本噴射とが連続して実行されている例を説明したが、これらは必ずしも連続させる必要はない。すなわち、上述の時期（ｔ１）から時期（ｔ２）にかけて実行される予備噴射と残りの本噴射との間には、多少の時間的遅延があってもよい。

そして、ＥＣＵ１００は、制御例（１）では燃料噴射停止時期（ｔ２）、制御例（２）では燃料噴射停止時期（ｔ４）、及び制御例（３）では燃料噴射開始時期（ｔ１）から、それぞれ、所定の遅れ時間（t５‐t２）、（t５‐t４）及び（ｔ５-ｔ１）が経過した開弁開始時期（ｔ５）において、吸気弁７の開弁指令信号とプラズマアクチュエータ２０の作動開始指令信号とを発して、吸気弁７を開弁させると共にプラズマアクチュエータ２０を作動させる。なお、これらの信号は必ずしも厳密に同時に発される必要はない。そして、時期（ｔ５）から所定の期間経過した時期（ｔ８）に吸気弁７の閉弁指令信号とプラズマアクチュエータ２０の作動停止指令信号が発される。

ここで、上述のポート噴射用燃料噴射弁１９からの予備噴射とプラズマアクチュエータ２０の作動とは、プラズマアクチュエータ２０の表面に水が付着している（水付着状態）と判定された場合に限って行われるように制御されるのが好ましい。この場合、水付着状態か否かの判定は、例えば吸気通路に設けられた湿度センサ４２によって検出された吸気の湿度に基づき、ＥＣＵ１００によって実行することができる。具体的には、ＥＣＵ１００は、湿度センサ４２によって検出された吸気の湿度が所定湿度（例えば、８０％）以上であることをもって、水の凝縮が生じ易く、これによりプラズマアクチュエータ２０が水付着状態であると判定することができる。なお、本発明で使用可能な湿度センサとしては、神栄テクノロジー（株）（日本国、神戸市）から販売されている、RHU-450,C15-M53Rなどを例示することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態を、図７を参照して説明する。この第２の実施形態は、上述のポート噴射用燃料噴射弁１９に加えて筒内に向けて燃料を噴射する筒内噴射用燃料噴射弁２６を備える、所謂デュアルインジェクション方式の内燃機関に本発明を適用したものである。ハードウエア上は、筒内噴射用燃料噴射弁２６が追加されるのみで、プラズマアクチュエータ２０の構成及び配置は第１実施形態と同様であるので、第１の実施形態と同一部品ないしは同様の機能部品については、図１で用いた符号と同じ符号を用いて重複説明を避ける。

ここで、図８を参照して、本発明の第２の実施形態であるデュアルインジェクション方式の内燃機関における制御例を説明する。

ＥＣＵ１００は、クランク角センサ４１によって検出されたクランク角が所定の噴射開始時期（ｔ１）になったとき、ポート噴射用燃料噴射弁１９に噴射指令信号を送信し、燃料噴射を開始させる。これと同時に、ＥＣＵ１００は、電源３１から高周波の交流電圧をプラズマアクチュエータ２０に印加させてそれの作動を開始させる。これにより、プラズマアクチュエータ２０の表面からの水滴Ｗdの除去作用が開始され、ＥＣＵ１００はこの状態を、時期（ｔ３）までの所定の期間継続する。ポート噴射用燃料噴射弁１９による燃料噴射の停止に関しては、図８の制御例では、プラズマアクチュエータ２０の作動停止時期（ｔ３）より前の時期（ｔ２）で燃料噴射が終了される。換言すると、ポート噴射用燃料噴射弁１９からは、時期（ｔ１）から時期（ｔ２）にかけて実行される、上記第１の実施形態の制御例（１）と同じ、予備噴射と称される燃料噴射が行われる。

そして、ＥＣＵ１００は、プラズマアクチュエータ２０の作動停止時期（ｔ３）より後の所定期間経過した開弁開始時期（ｔ４）において、吸気弁７の開弁指令信号とプラズマアクチュエータ２０の作動開始指令信号とを発して、吸気弁７を開弁させると共にプラズマアクチュエータ２０を作動させる。なお、これらの信号は必ずしも厳密に同時に発される必要はない。そして、クランク角センサ４１によって検出されたクランク角が所定の筒内噴射開始時期（ｔ５）になったとき、筒内噴射用燃料噴射弁２６に筒内噴射指令信号を送信し、燃料噴射を開始させる。さらに、ＥＣＵ１００は、所定量の燃料噴射（上述の本噴射）が達成された時期（ｔ６）に燃料噴射を停止させる。この本噴射は、上述のように、エンジンの運転条件に応じて要求される出力トルクを得るために設定された燃料噴射量を、予備噴射と共に満たすために行われ、図８の制御例では、プラズマアクチュエータ２０の時期（ｔ４）から時期（ｔ７）までの作動期間中、及び吸気弁７の時期（ｔ４）から時期（ｔ８）までの開弁期間中に行われる。なお、図８の制御例では、プラズマアクチュエータ２０の作動停止指令信号が時期（ｔ７）に、そして、吸気弁７の閉弁指令信号がこの後の時期（ｔ８）に発されているが、これらは同時であってもよい。

なお、この第２実施形態においても、上述の第１実施形態のように、吸気通路に設けられた湿度センサ４２によって検出された吸気の湿度に基づいて、プラズマアクチュエータ２０の表面が水付着状態か否かの判定を行い、プラズマアクチュエータ２０の表面に水が付着している（水付着状態）と判定された場合に限って、ポート噴射用燃料噴射弁１９からの予備噴射とプラズマアクチュエータ２０の作動とが行われるように制御されてもよい。さらに、プラズマアクチュエータ２０は、時期（ｔ３）において作動が停止され、上記の第１実施形態では開弁開始と同じ時期（ｔ５）において作動が再開始（図６参照）され、第２実施形態では開弁開始と同じ時期（ｔ４）において作動が再開始（図８参照）されるようにした。しかしながら、プラズマアクチュエータ２０は途中で作動を停止させることなく、連続して作動させるようにしてもよい。

［第３実施形態］
さらに、本発明の第３実施形態を、図９を参照して説明する。この第３実施形態はEGR装置を備える内燃機関に本発明を適用したものであり、プラズマアクチュエータ表面への水の付着を推定する手段を備えている。図９において、エンジン５０は吸気マニフォールド５０I及び排気マニフォールド５０Eを有している。この吸気マニフォールド５０Iに対し吸気通路５１が連通されている。吸気通路５１には、その上流側から順に、エアクリーナ５２、エアフローメータ５４、ターボチャージャ５６のコンプレッサ５６C,インタークーラ５８、電制スロットルボディ６０及びサージタンク（不図示）が配置されている。また、排気マニフォールド５０Eに対し排気通路６１が連通されている。排気通路６１には、その上流側から順に、ターボチャージャ５６のタービン５６T,三元触媒６２及び排気マフラ（不図示）が配置されている。さらに、三元触媒６２の下流の排気通路６１からEGR通路６３が分岐され、ターボチャージャ５６のコンプレッサ５６Cの上流で吸気通路５１に合流されている。EGR通路６３には、その上流側から順にEGRクーラ６４、EGR制御弁６６が配置されている。

そして、本第３実施形態においては、プラズマアクチュエータ表面への水の付着を推定する手段の構成要素として、外気の相対湿度A（％）を計測するための湿度センサ７０がエアクリーナ５２又はその下流の吸気通路５１に、同じく外気の温度Ta(℃)を計測するための（第１の）温度センサ７２がエアフローメータ５４に、吸気マニフォールド５０I内の吸気温度Tin(℃)を計測するための（第２の）温度センサ７４が吸気マニフォールド５０Iに、さらに、EGRクーラ６４出口より下流のEGRガスの温度Tegr(℃)を計測するための（第３の）温度センサ７６がEGR通路６３に配置されている。これらの、湿度センサ７０及び第１乃至第３の温度センサ７２，７４，７６はＥＣＵ１００に電気的に接続され、ＥＣＵ１００には、以下に説明する制御手順の機能を実行することによるプラズマアクチュエータ表面への水付着推定手段が構成されている。

ここで、第３実施形態におけるプラズマアクチュエータ表面への水付着推定手段に関する制御手順の一例を図１０のフローチャートを参照して説明する。

所定の周期で実行される制御がスタートすると、ＥＣＵ１００は、ステップS１０１において、湿度センサ７０及び第１乃至第３の温度センサ７２，７４，７６からの出力信号から、外気湿度A(%)、外気の温度Ta(℃)、吸気マニフォールド５０I内の吸気温度Tin(℃)、及びEGRクーラ６４出口より下流のEGRガス温度Tegr(℃)を読み込む。同時に、エンジン５０に吸入される吸気量に対するEGRガス量を百分率で表すEGR率Regr(％)を読み込む。但し、このEGR率Regr(％)は、エンジン５０の運転状態を表すエンジン速度とエンジン負荷とに対応させて予め実験により求められ、ＥＣＵ１００の制御マップに保管されているデータから、エンジン５０の現在の運転状態に応じて読み込まれる。

次に、ステップS１０２において、エンジン５０に吸入される吸気のうち、エアクリーナ５２を介して導入される外気が含有している水蒸気量と、これに合流されるEGRガスが含有している水蒸気量との和が、吸入ポート６の直前の吸気マニフォールド５０Iにおいて、その吸気が温度Tin(℃)のときに含有可能な飽和水蒸気量と比較され、この飽和水蒸気量を超えるか否かの判定が行われる。具体的に説明すると、外気の温度がTa(℃)で湿度がA(%)であるとすると、この温度Taでの飽和水蒸気量はG(Ta)（ｇ/ｍ³）であり、外気が含有している水蒸気量は、G(Ta)×A/100（ｇ/ｍ³）である。そして、EGR率がRegr(％)であるとすると、エンジン５０に吸入される吸気のうち外気が含有している水蒸気量は、G(Ta)×A/100×（100-Regr）/100（ｇ/ｍ³）であり、温度Tegr(℃)のEGRガスが含有している水蒸気量は、G（Tegr）×Regr/100（ｇ/ｍ³）である。そして、吸気マニフォールド５０Iの温度Tin(℃)において、その吸気の飽和水蒸気量は、G(Tin)（ｇ/ｍ³）であるので、これらを比較することによって、判定が行われる。上記の水蒸気量の和が吸気マニフォールド５０Iにおいて吸気が含有可能な飽和水蒸気量を超える場合には、その超えた分の水蒸気は吸気中に保持されにくくなって凝結し、その下流のプラズマアクチュエータ２０の表面を含む吸気ポート６の内壁面６Ａに水滴となって付着する蓋然性が高くなる。

そこで、ステップS１０２においては、
（式１）G(Ta)×A/100×（100-Regr）/100＋G（Tegr）×Regr/100＞G(Tin)？
を用いての上記判定が行われる。上記の水蒸気量の和が吸気マニフォールド５０Iにおいて含有可能な飽和水蒸気量を超えている、換言すると、肯定（YES）の場合には、プラズマアクチュエータ２０の表面へ水が付着していると推定され、ステップS１０３に進む。そこで、ポート噴射用燃料噴射弁１９からの予備燃料噴射が行われると共に、プラズマアクチュエータ２０の水除去作動が行われる。このステップS１０３におけるプラズマアクチュエータ２０の水除去作動の後は、ステップS１０４に進み、吸気弁７の開弁に併せて、プラズマアクチュエータ２０の気流誘起作動が行われる。

一方、ステップS１０２においての判定で、上記の水蒸気量の和が吸気マニフォールド５０Iにおいて含有可能な飽和水蒸気量を超えない、否定（NO）の場合には、ステップS１０３に進むことなくステップS１０４に進み、吸気弁７の開弁に併せて、プラズマアクチュエータ２０の気流誘起作動のみが行われる。

なお、上述の水付着推定手段は、プラズマアクチュエータ２０の表面へ水が付着しているか否かを推定するものであったが、（式１）を変形して、上記の水蒸気量の和が吸気マニフォールド５０Iにおいて吸気が含有可能な飽和水蒸気量を超える量を求めて、水付着量Xoを推定するようにしてもよい。この変形実施形態では、水付着量Xoの大きさに応じて、上述のステップS１０３で実行されるプラズマアクチュエータ２０の水除去作動のために電源装置３０からプラズマアクチュエータ２０に供給される電気的エネルギの大きさが変化される。例えば、水付着量Xoが大きくなるのに比例して、電源装置３０から供給される電圧を上昇させて、プラズマアクチュエータ２０による水除去のための駆動力を増大させてもよい。これにより、大量の水付着量Xoであっても短期間に除去することが可能となる。

［第４実施形態］
さらに、本発明の第４実施形態を、図１１を参照して説明する。この第４実施形態は、燃焼室内に発生される所望のスワール流又はタンブル流をさらに適正に強化するために、吸気弁が開弁された後のプラズマアクチュエータの作動を制御する形態に関するものであり、上述したプラズマアクチュエータ２０の変形例を用いている。図２に示したプラズマアクチュエータ２０は、表面電極２１および裏面電極２２からなる一対の電極のみを備え、吸気通路の下流側である矢印Ｄの方向にのみアクチュエータ気流を生じさせるものであった。しかし、ここに説明する変形例２００は、複数の電極対を含み、吸気通路の下流側である矢印Ｄの方向にアクチュエータ気流を生じさせる第１のプラズマアクチュエータ２０Dと、吸気通路の上流側である矢印Ｕの方向にアクチュエータ気流を生じさせる第２のプラズマアクチュエータ２０Uとが複合して一体に構成されている。

より詳しくは、第１のプラズマアクチュエータ２０Dは、表面電極２１および第１の裏面電極２２Dからなる一対の電極と、これら一対の電極の間に配置された薄板状の誘電体２３とを含む第１の電極ユニット２４Dを複数有して構成される。第２のプラズマアクチュエータ２０Uは、同様に、表面電極２１および第１の裏面電極２２Uからなる一対の電極と、これら一対の電極の間に配置された薄板状の誘電体２３とを含む第２の電極ユニット２４Uを複数有して構成されている。表面電極２１および誘電体２３は、第１および第２のプラズマアクチュエータ２０D，２０Uに共通である。

第１の裏面電極２２Dは表面電極２１に対し図示のD方向にオフセットして整列され、両電極の対向側エッジ間に隙間が形成されている。そして第１の電極ユニット２４Dが、D方向に所定ピッチＰで等間隔に複数整列されている。一方、第２の裏面電極２２Uは表面電極２１に対し図示のU方向にオフセットして整列され、両電極の対向側エッジ間に隙間が形成されている。そして第２の電極ユニット２４Uも、U方向に所定ピッチＰで等間隔に複数整列されている。さらに、第１及び第２の裏面電極２２D、２２Uは、それぞれ、誘電体２３の裏面に設けられた絶縁層２５内に埋設されている。

さらに、電源装置３０は、第１及び第２のプラズマアクチュエータ２０D，２０Uに交流電圧を印加するための共通の電源３１と、第１及び第２のプラズマアクチュエータ２０D，２０Uと電源３１との間に介設された切替スイッチ３２とを備えている。ここで複数の表面電極２１は、共通の配線２６によって互いに接続されると共に、電源３１に接続されている。複数の第１の裏面電極２２Dも第１の配線２８Dによって互いに接続され、複数の第２の裏面電極２２Uも第２の配線２８Uによって互いに接続されている。そして、第１及び第２の配線２８D、２８Uは、切替スイッチ３２を介して電源３１に接続されている。

切替スイッチ３２は、第１スイッチ３２Aと第２スイッチ３２Bを有している。第１スイッチ３２Aは可動接点３３と２つの固定接点３４，３５を有し、第２スイッチ３２Bは可動接点３６と１つの固定接点３７を有する。可動接点３３は電源３１に接続され、固定接点３４は第２の配線２８Uを介して複数の第１の裏面電極２２Dに接続される。固定接点３７は第１の配線２８Dを介して複数の第２の裏面電極２２Ｂに接続され、固定接点３５は可動接点３６に接続されている。

この第４実施形態においては、ＥＣＵ１００からの指令信号に基づいて切替スイッチ３２が切り替えられ、これにより第１及び第２のプラズマアクチュエータ２０D,２０Uの作動が切り替えられ、第１及び第２のアクチュエータ気流の発生状態が切り替えられる。すなわち、可動接点３３が固定接点３４に接続されたとき（図示の状態）、第２のプラズマアクチュエータ２０Uのみが作動状態（オン）とされ、U方向のアクチュエータ気流が発生される。可動接点３３が固定接点３５に接続され、且つ可動接点３６が固定接点３７に接続されたときは、第１のプラズマアクチュエータ２０Dのみが作動状態とされ、矢印Ｄ方向のアクチュエータ気流が発生する。可動接点３３が固定接点３５に接続され、且つ可動接点３６が固定接点３７から離されたとき、いずれのプラズマアクチュエータも非作動状態とされ、すなわちオフとされる。なお、切替スイッチ３２の構成は任意であり、機械的接点を有するものでもよいし、電気的なスイッチング回路により構成されているものでもよい。

上述の第４実施形態においては、本発明が適用される機関に求められる燃焼室内のタンブル流などの気流の形態に対応させて、吸気ポート６の内壁面６Ａの周方向位置に第１及び第２のプラズマアクチュエータ２０D，２０Uを含む変形例２００が適宜配置され得る。例えば、図１に示される内壁面６Ａの周方向位置にこの変形例２００を一個のみ配置したり、これに加えて直径方向に対向する内壁面６Ａに変形例２００を対に配置するようにしてもよい。このように、変形例２００を一個のみ配置した場合には、機関の運転条件などに応じて、燃焼室に発生されるタンブル流などを強化するのに適したアクチュエータ気流を生じさせるべく、切替スイッチ３２が制御されてもよい。さらに、対の関係で配置された変形例２００に関しては、一方には、第１のプラズマアクチュエータ２０Dとして用いて，吸気ポート６の下流側の矢印Ｄ方向に向かうアクチュエータ気流を、他方には、第２のプラズマアクチュエータ２０Uとして用いて，吸気ポート６の上流側の矢印Ｕ方向に向かうアクチュエータ気流を生じさせるようにしてもよい。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が含まれることはいうまでもない。

１、５０内燃機関（エンジン）
６吸気ポート
６Ａ内壁面
７吸気弁
１９ポート噴射用燃料噴射弁
２０プラズマアクチュエータ
２１表面電極
２２裏面電極
２３誘電体
２６筒内噴射用燃料噴射弁
３１電源
１００電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims

吸気通路に設けられ、作動されることで気流を誘起するプラズマアクチュエータと、
前記プラズマアクチュエータ又はその上流位置に向けて燃料を噴射するように吸気通路に設けられたポート噴射用燃料噴射弁と、
前記プラズマアクチュエータ及び前記ポート噴射用燃料噴射弁を制御するための制御ユニットと、を備え、
前記制御ユニットは、吸気弁の閉弁期間のうちの少なくとも一部の期間に、前記ポート噴射用燃料噴射弁による燃料噴射作動と、前記吸気通路の下流側に向かう方向の気流を誘起するように前記プラズマアクチュエータの作動とを行わせるのに加え、前記吸気弁の開弁の後に前記プラズマアクチュエータを作動させるように構成されていることを特徴とする内燃機関の気流制御装置。
吸気通路に設けられ、作動されることで気流を誘起するプラズマアクチュエータと、
前記プラズマアクチュエータ又はその上流位置に向けて燃料を噴射するように吸気通路に設けられたポート噴射用燃料噴射弁と、
筒内に直接に燃料を噴射するように設けられた筒内噴射用燃料噴射弁と、
前記プラズマアクチュエータ及び前記両燃料噴射弁を制御するための制御ユニットと、を備え、
前記制御ユニットは、前記吸気弁の閉弁期間のうちの少なくとも一部の期間に、前記ポート噴射用燃料噴射弁による燃料噴射作動と、前記吸気通路の下流側に向かう方向の気流を誘起するように前記プラズマアクチュエータの作動とを行わせるのに加え、前記吸気弁の開弁後の開弁期間中に前記プラズマアクチュエータを作動させると共に前記筒内噴射用燃料噴射弁による燃料噴射作動を行わせるように構成されていることを特徴とする内燃機関の気流制御装置。
前記プラズマアクチュエータの表面に水が付着しているか否かを判定する判定手段をさらに備え、
前記制御ユニットは、当該判定手段により水が付着していると判定された場合に限り、前記吸気弁の閉弁期間のうちの少なくとも一部の期間に、前記ポート噴射用燃料噴射弁による燃料噴射作動と、前記吸気通路の下流側に向かう方向の気流を誘起するように前記プラズマアクチュエータの作動とを行わせるように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の気流制御装置。
前記判定手段は、前記吸気通路内の吸気の湿度を計測するべく設けられた湿度センサの計測値に基づいて判定することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の気流制御装置。
前記判定手段は、外気の湿度及び温度、EGRガスのEGRクーラ出口での温度及びEGR率、及び吸気マニフォールド内の吸気の温度を用いて、前記プラズマアクチュエータ表面への水の付着を推定する手段の推定結果に基づいて判定することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の気流制御装置。