JP2019007463A - Internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、気筒の燃焼室内で生じる旋回気流を制御して好適な燃焼を実現する内燃機関に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine that realizes suitable combustion by controlling a swirling airflow generated in a combustion chamber of a cylinder.
内燃機関の気筒の燃焼室内では、吸気行程により、気筒の(ピストンの進退方向に沿った)中心軸に対して平行な面に沿った縦の旋回気流であるタンブルや、気筒の中心軸を取り巻くような旋回気流であるスワールといった筒内流が発生する。この筒内流は、圧縮行程において、圧縮上死点に向かって運動するピストンに押しつぶされて小さな渦や乱流へと崩壊する。燃焼室内に生じる筒内流を強化すれば、吸気と燃料とを十分に混合することが可能となり、燃焼をより促進または安定化することができると考えられる。 In a combustion chamber of a cylinder of an internal combustion engine, a tumble that is a vertical swirling air flow along a plane parallel to the central axis (along the piston's forward / backward direction) of the cylinder and the central axis of the cylinder is surrounded by an intake stroke An in-cylinder flow such as a swirl that is a swirling airflow is generated. In the compression stroke, this in-cylinder flow is crushed by the piston moving toward the compression top dead center and collapses into small vortices and turbulent flows. If the in-cylinder flow generated in the combustion chamber is strengthened, it is considered that intake air and fuel can be sufficiently mixed, and combustion can be further promoted or stabilized.
吸気ポートを通じて気筒に流入する吸気は、その過程で、ポペット弁である吸気バルブの弁体の傘部に衝突して分流する。結果、分かたれた流れの一方が燃焼室内で所望の正方向の旋回気流となり、他方が燃焼室内でこれとは逆方向の旋回気流となる。筒内流を強化するためには、後者の逆方向の旋回気流をできるだけ弱めることが求められる。 The intake air flowing into the cylinder through the intake port collides with the umbrella portion of the valve body of the intake valve that is a poppet valve in the process, and is divided. As a result, one of the divided flows becomes a desired swirling airflow in the combustion chamber, and the other becomes a swirling airflow in the opposite direction in the combustion chamber. In order to strengthen the in-cylinder flow, it is required to weaken the latter swirling airflow in the opposite direction as much as possible.
下記特許文献には、気筒の燃焼室内に直接燃料を噴射するインジェクタを設置し、このインジェクタからの噴射燃料を逆方向の旋回気流にぶつけてこれを打ち消すという技術思想が開示されている。 The following patent document discloses a technical idea that an injector for directly injecting fuel is installed in a combustion chamber of a cylinder, and the injected fuel from the injector is hit against a swirling airflow in a reverse direction to cancel the fuel.
しかしながら、インジェクタから燃料を噴射する量は、そのときの内燃機関のエンジン回転数や要求負荷率(アクセル開度)といった運転領域に依存する。それ故、あらゆる運転領域において、逆方向の旋回気流を噴射燃料により打ち消すことは困難を伴う。 However, the amount of fuel injected from the injector depends on the operating region such as the engine speed and the required load factor (accelerator opening) of the internal combustion engine at that time. Therefore, it is difficult to cancel the swirling airflow in the reverse direction with the injected fuel in all operating regions.
本発明は、内燃機関の運転条件如何によらず、気筒の燃焼室内に生ずる逆方向の旋回気流を弱めて筒内流を強化することを所期の目的としている。 An object of the present invention is to strengthen the in-cylinder flow by weakening the swirling airflow in the reverse direction generated in the combustion chamber of the cylinder regardless of the operating conditions of the internal combustion engine.
本発明では、吸気が吸気ポートを通じて気筒の燃焼室内に流入する過程で分流し、その一方が燃焼室内で所望の正方向の旋回気流となり、他方が燃焼室内でこれとは逆方向の旋回気流となるものにおいて、逆方向の旋回気流となる流れに隣接する部位に、当該流れを打ち消しまたはこれを弱めるような方向の気流を生じさせるプラズマアクチュエータを設けた内燃機関を構成した。 In the present invention, the intake air is divided in the process of flowing into the combustion chamber of the cylinder through the intake port, one of which is a desired forward swirling air flow in the combustion chamber, and the other is a swirling air flow in the opposite direction in the combustion chamber. In this configuration, an internal combustion engine having a plasma actuator that generates an airflow in a direction that cancels or weakens the flow at a portion adjacent to the flow that becomes the swirling airflow in the reverse direction is configured.
本発明によれば、内燃機関の運転条件如何によらず、気筒の燃焼室内に生ずる逆方向の旋回気流を弱めて筒内流を強化することができる。 According to the present invention, the in-cylinder flow can be strengthened by weakening the swirling airflow in the reverse direction generated in the combustion chamber of the cylinder, regardless of the operating conditions of the internal combustion engine.
本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図1に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態における内燃機関は、火花点火式の4ストロークガソリンエンジンであり、複数の気筒1(図1には、そのうち一つを図示している)を具備している。各気筒1の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ11を設けている。また、各気筒1の燃焼室の天井部に、点火プラグ12を取り付けてある。点火プラグ12は、点火コイルにて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起するものである。点火コイルは、半導体スイッチング素子であるイグナイタとともに、コイルケースに一体的に内蔵される。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows an outline of an internal combustion engine for a vehicle in the present embodiment. The internal combustion engine in the present embodiment is a spark ignition type 4-stroke gasoline engine, and includes a plurality of cylinders 1 (one of which is shown in FIG. 1). In the vicinity of the intake port of each cylinder 1, an injector 11 for injecting fuel is provided. A
吸気を供給するための吸気通路3は、外部から空気を取り入れて各気筒1の吸気ポート14へと導く。吸気通路3上には、エアクリーナ31、電子スロットルバルブ32、サージタンク33、吸気マニホルド34を、上流からこの順序に配置している。
The intake passage 3 for supplying intake air takes in air from the outside and guides it to the intake port 14 of each cylinder 1. On the intake passage 3, an
排気を排出するための排気通路4は、気筒1内で燃料を燃焼させたことで生じる排気を各気筒1の排気ポート15から外部へと導く。この排気通路4上には、排気マニホルド42及び排気浄化用の三元触媒41を配置している。
The exhaust passage 4 for discharging the exhaust guides the exhaust generated by burning the fuel in the cylinder 1 from the
排気ガス再循環(Exhaust Gas Recirculation)装置2は、いわゆる高圧ループEGRを実現するものであり、排気通路4における触媒41の上流側と吸気通路3におけるスロットルバルブ32の下流側とを連通する外部EGR通路21と、EGR通路21上に設けたEGRクーラ22と、EGR通路21を開閉し当該EGR通路21を流れるEGRガスの流量を制御するEGRバルブ23とを要素とする。EGR通路21の入口は、排気通路4における排気マニホルド42またはその下流の所定箇所に接続している。EGR通路21の出口は、吸気通路3におけるスロットルバルブ32の下流の所定箇所、特にサージタンク33に接続している。
The exhaust gas recirculation device 2 realizes a so-called high pressure loop EGR, and an external EGR that communicates the upstream side of the
本実施形態の内燃機関の制御装置であるECU(Electronic Control Unit)0は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。 An ECU (Electronic Control Unit) 0 that is a control device for an internal combustion engine according to the present embodiment is a microcomputer system having a processor, a memory, an input interface, an output interface, and the like.
ECU100の入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号a、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するクランク角センサ(エンジン回転センサ)から出力されるクランク角信号b、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ32の開度をアクセル開度(いわば、内燃機関に要求されるエンジン負荷)として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号c、内燃機関の温度を示唆する冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号d、気筒1を内包しているシリンダブロックの振動の大きさを検出する振動式のノックセンサから出力される振動信号e、吸気通路3(特に、サージタンク33)内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号f、吸気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号g、ブレーキペダルが踏まれていることまたはブレーキペダルの踏込量を検出するセンサ(ブレーキスイッチやマスタシリンダ圧センサ等)から出力されるブレーキ信号h等が入力される。
The input interface of the ECU 100 includes a vehicle speed signal a output from a vehicle speed sensor that detects the actual vehicle speed of the vehicle, a crank angle output from a crank angle sensor (engine rotation sensor) that detects the rotation angle of the crankshaft and the engine speed. Signal b, accelerator pedal depression amount or
ECU100の出力インタフェースからは、イグナイタに対して点火信号i、インジェクタ11に対して燃料噴射信号j、スロットルバルブ32に対して開度操作信号k、EGRバルブ23に対して開度操作信号l等を出力する。
From the output interface of the
ECU100のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ECU100は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報a、b、c、d、e、f、g、hを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒1に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング(一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む)、燃料噴射圧、点火タイミング、要求EGR率(吸気に占めるEGRガスの割合、EGR量)等といった各種運転パラメータを決定する。ECU100は、運転パラメータに対応した各種制御信号i、j、k、lを出力インタフェースを介して印加する。
The processor of the
しかして、本実施形態の内燃機関には、気筒1の吸気行程中に燃焼室内に生じる気流51、52を操作するための流動制御装置10を設けている。本実施形態における流動制御装置は、プラズマアクチュエータ10を用いたものである。プラズマアクチュエータ10は、誘電体203を挟んで対をなす電極201、202を配置し、電極201、202間に交流電圧またはパルス電圧を印加することで、誘電体203の表面側の電極201近傍にプラズマ0及び気体の流れ40を生じさせる。
Therefore, the internal combustion engine of the present embodiment is provided with the
図2ないし図5に示すように、本実施形態におけるプラズマアクチュエータ10は、上側電極201及び下側電極202の対と、これら電極間に挟まれる誘電体203とを要素とするユニット20を複数個、一定方向に沿って間欠的に配列してなる。
As shown in FIGS. 2 to 5, the
上側電極201は、前後方向(ユニット20の配列方向。図中横方向)に沿った幅寸法が下側電極202のそれよりも小さい。また、上下方向(電極201、202が誘電体203を挟む方向、または誘電体203の表面の法線方向。図中縦方向)の厚みも小さく薄い。各ユニット20の上側電極201は、誘電体203の表面に露出させる、または、下側電極202と比べてより誘電体203の表面に近い位置に配置する。後者の場合、上側電極201にプラズマ生成を妨げないコーティングを施すか、若しくは図4に示しているように、上側電極201を誘電体203の(プラズマ0が生成される)表面下に埋設するようにして、上側電極201を直接気流に触れさせないようにすることができる。
The
下側電極202は、上側電極201と比較して前後方向に大きく拡張する。各ユニット20の下側電極202は、図2及び図4に示しているように誘電体203の裏面に露出させてもよく、図3及び図5に示しているように誘電体203内に埋設してもよい。下側電極202は、同じユニット20を構成する上側電極201に対して前方に偏倚した位置にある。即ち、下側電極202の直上に上側電極201は存在していない。
The
誘電体203は、典型的には樹脂やセラミックである。誘電体材料としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド等のポリマー系絶縁体や、アルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素等のセラミック系絶縁体を採用することが好適である。 The dielectric 203 is typically resin or ceramic. As the dielectric material, it is preferable to employ polymer insulators such as polytetrafluoroethylene and polyimide, and ceramic insulators such as alumina, zirconia, and silicon nitride.
各ユニット20の上側電極201と、当該ユニット20と隣り合う他のユニット20の下側電極202との間には、遮蔽部30を設ける。遮蔽部30は、一のユニット20の上側電極201と、他のユニット20の下側電極202との間でプラズマが生成されるのを阻害する役割を担う。遮蔽部30は、誘電体材料を主体とし、各ユニット20の上側電極201の後背にあって、電極21、22が挟んでいる誘電体203の表面から、少なくとも上側電極201の上面と略同じ高さまで迫り出している。図2、図3及び図5に示しているものでは、遮蔽部30の高さが上側電極201の上面を越えており、また、遮蔽部30が上側電極201の上面の一部に覆い被さっている。図4に示しているものでは、遮蔽部30の高さが上側電極201の上面と略面一となっており、下側電極202の直上にある誘電体203の表面とがなだらかに連続している。
The
本プラズマアクチュエータ10を用いるに際しては、各ユニット20の上側電極201及び下側電極202間に、例えば1kVないし10kV程度の高圧、1kHzないし20kHz程度の周波数の、脈流電圧(直流パルス電圧)または交流電圧を印加する。印加電圧及び周波数は、電極201、202の寸法や電極201、202間の距離、誘電体203の誘電率等に応じて定める。
When using this
両電極201、202間に電圧を印加すると、下側電極202の直上にある誘電体203の表面にプラズマ0が生成され、このプラズマ0に起因して、誘電体203の表面上に気流、即ち気体の衝撃波40が発生する。衝撃波40は、同一のユニット20を構成する上側電極201から下側電極202に向かう方向に、換言すれば後方から前方に向かって流れる。プラズマ0を生成するユニット20が前後方向に並んでいることから、誘電体203の表面上を流れる衝撃波40は、あるユニット20から別のユニット20へと伝搬してゆくにつれて加速され、強化される。
When a voltage is applied between the two
本実施形態では、このようなプラズマアクチュエータ10を用いて、気筒1の燃焼室内に生じる所望の正方向のタンブル流51とは逆方向に流れようとする逆タンブル流52を弱め、以て主流のタンブル流51を強化する。
In the present embodiment, such a
図6に示すように、吸気ポート14を通じて気筒1に流入する吸気50は、その過程で、吸気バルブ141の弁体の傘部に衝突して分流する。結果、分かたれた流れの一方51が燃焼室内で主流のタンブル流51(図中実線で表す)となり、他方が燃焼室内で逆タンブル流52(図中鎖線で表す)となる。本実施形態の内燃機関においては、
・吸気ポート14における逆タンブル流52となる流れに隣接する部位(即ち、気筒1の燃焼室に向けて湾曲する吸気ポート14における気筒1の中心軸(点火プラグ12が取り付けられる位置)から遠い側(図中下方)の壁面。なお、主流のタンブル流51となる流れは吸気ポート14における気筒1に中心軸に近い側(図中上方)の壁面に沿って流れる)
・シリンダヘッドにおける気筒1の燃焼室の天井部であって逆タンブル流52に隣接する部位(吸気ポート14における内周側の壁面に連なる壁面)
・気筒1のシリンダボアにおける逆タンブル流52に隣接する部位(吸気ポート14における内周側の壁面の方にある壁面)
のうちの何れか少なくとも一つに、プラズマアクチュエータ10を設置する。そして、プラズマアクチュエータ10は、逆タンブル流52を弱める方向、即ち逆タンブル流52に反する方向の成分を含む方向に、気体の衝撃波40(図中白矢印で表す)を発生させる。
As shown in FIG. 6, the
A portion of the intake port 14 adjacent to the flow that becomes the reverse tumble flow 52 (that is, the side far from the center axis of the cylinder 1 (position where the
A portion of the cylinder head at the ceiling of the combustion chamber of the cylinder 1 and adjacent to the reverse tumble flow 52 (a wall surface connected to the inner peripheral wall surface of the intake port 14)
A portion adjacent to the
The
本実施形態では、吸気50が吸気ポート14を通じて気筒1の燃焼室内に流入する過程で分流し、その一方51が燃焼室内で所望の正方向の旋回気流となり、他方52が燃焼室内でこれとは逆方向の旋回気流となるものにおいて、逆方向の旋回気流52となる流れに隣接する部位に、当該流れ52を打ち消しまたはこれを弱めるような方向の気流40を生じさせるプラズマアクチュエータ10を設けた内燃機関を構成した。
In the present embodiment, the
本実施形態によれば、気筒1の燃焼室内で生じる逆方向の旋回気流52を弱められ、その結果として燃焼室内で生じる所望の正方向の旋回気流51を強い状態のままで維持することができる。従って、混合気の燃焼の安定化や、初期燃焼速度の向上を見込める。そして、吸気のEGR率の上限を引き上げることが許容されるため、ポンピングロスの低減による内燃機関の燃費性能の良化や、燃焼温度の低下によるノッキングの抑制(さらには、点火タイミングをMBT(Minimum advance for Best Torque)により近づけることが可能となる)、有害物質の排出量の削減に奏効する。
According to the present embodiment, the
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、吸気が吸気ポート14を通じて気筒1の燃焼室内に流入する過程で分流し、その一方が燃焼室内で所望の正方向のスワール流なり、他方が燃焼室内でこれとは逆方向のスワール流となる内燃機関にあって、吸気ポート14の壁面、気筒1の燃焼室の天井部の壁面、及び/または、気筒1のシリンダボアの壁面における、逆方向のスワール流となる流れに隣接する部位に、当該流れを打ち消しまたはこれを弱めるような方向の気流40を生じさせるプラズマアクチュエータ10を設置し、以て所望のスワール流の強化を図ることも可能である。
The present invention is not limited to the embodiment described in detail above. For example, the intake air is diverted in the process of flowing into the combustion chamber of the cylinder 1 through the intake port 14, one of which is a desired forward swirl flow in the combustion chamber, and the other is a swirl flow in the opposite direction in the combustion chamber. In the internal combustion engine, the wall surface of the intake port 14, the wall surface of the ceiling portion of the combustion chamber of the cylinder 1, and / or the wall surface of the cylinder bore of the cylinder 1 adjacent to the flow that becomes the swirl flow in the reverse direction, It is also possible to install a
その他、各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。 In addition, the specific configuration of each part can be variously modified without departing from the gist of the present invention.
本発明は、車両等に搭載される内燃機関に適用することができる。 The present invention can be applied to an internal combustion engine mounted on a vehicle or the like.
1…気筒
10…プラズマアクチュエータ
14…吸気ポート
40…逆方向の旋回気流を打ち消しまたは弱める気流
50…吸気
51…正方向の旋回気流
52…逆方向の旋回気流
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (1)
逆方向の旋回気流となる流れに隣接する部位に、当該流れを打ち消しまたはこれを弱めるような方向の気流を生じさせるプラズマアクチュエータを設けた内燃機関。 Intake air is divided in the process of flowing into the combustion chamber of the cylinder through the intake port, one of which becomes a desired forward swirling air flow in the combustion chamber, and the other becomes a swirling air flow in the opposite direction in the combustion chamber,
An internal combustion engine provided with a plasma actuator that generates an airflow in a direction that cancels or weakens the flow at a portion adjacent to a flow that becomes a swirling airflow in the reverse direction.
Priority Applications (1)
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JP2017126032A JP2019007463A (en) | 2017-06-28 | 2017-06-28 | Internal combustion engine |
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
JP2017126032A JP2019007463A (en) | 2017-06-28 | 2017-06-28 | Internal combustion engine |
Publications (1)
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JP2019007463A true JP2019007463A (en) | 2019-01-17 |
Family
ID=65029296
Family Applications (1)
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JP2017126032A Pending JP2019007463A (en) | 2017-06-28 | 2017-06-28 | Internal combustion engine |
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Country | Link |
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2017
- 2017-06-28 JP JP2017126032A patent/JP2019007463A/en active Pending
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