JP2022056587A - 点火式の内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の強度を高めることができるとともに、内燃機関の重量を低減可能な点火式の内燃機関を提供する。
【解決手段】点火式の内燃機関１０は、気筒１９の燃焼室１９ａ内に形成される混合気に点火する点火式の内燃機関１０であって、点火装置としてプラズマアクチュエータ３０を備える。点火装置としてのプラズマアクチュエータ３０は、さらに気筒１９内の混合気の流れの制御に用いることもできる。あるいは、それぞれ発生する噴流が互いに打ち消されるように二つのプラズマアクチュエータを配置することにより、点火動作による混合気の流れの変化を抑制することもできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、点火式の内燃機関に関する。

車両等に搭載される内燃機関として、燃料と空気の混合気を気筒の燃焼室に形成するとともに、当該混合気に点火することによって混合気を燃焼させて、出力を得る点火式内燃機関が知られている。混合気に点火する点火装置としては、特許文献１に記載されているように、先端部を燃焼室内に露出させて内燃機関のシリンダヘッドに取付けられた点火プラグが一般的に用いられている。

特開２０２０－２０３３２号公報

しかしながら、点火装置として点火プラグを用いる場合、点火プラグを内燃機関に取付けるための部品も必要になり、内燃機関の重量の増加の一因となっている。また、点火装置として点火プラグを用いる場合、点火プラグを取り付けるための挿入孔をシリンダヘッドに設ける必要があり、シリンダヘッドの強度が低下するおそれがある。特に、内燃機関の出力を効率的に得るために燃焼室内の圧力を高圧化するにあたり、点火プラグの挿入孔が設けられている状態で内燃機関の強度を確保した場合には重量の増加の一因となり得る。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、内燃機関の強度を高めることができるとともに、内燃機関の重量を低減可能な点火式の内燃機関を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、気筒の燃焼室内に形成される混合気に点火する点火式の内燃機関であって、点火装置としてプラズマアクチュエータを備えた点火式の内燃機関が提供される。

上記の内燃機関において、点火装置としてのプラズマアクチュエータは、さらに気筒内の混合気の流れの制御に用いられてもよい。

上記の内燃機関において、点火装置としてのプラズマアクチュエータは、さらに気筒内の排気の流れの制御に用いられてもよい。

上記の内燃機関において、プラズマアクチュエータは、内燃機関の燃焼室の内周面の全周に亘ってリング状に設けられてもよい。

上記の内燃機関において、点火装置としてのプラズマアクチュエータは、発生する噴流の向きが互いに逆向きの二つのプラズマアクチュエータを含んでもよい。

以上説明したように本発明によれば、内燃機関の強度を高めることができるとともに、内燃機関の重量を低減することができる。

本発明の実施の形態に係る内燃機関の構成例を示す模式図である。 同実施形態に係るプラズマアクチュエータの構成例を示す説明図である。 同実施形態に係るプラズマアクチュエータを複数に分割して配置した例を示す模式図である。 同実施形態に係るプラズマアクチュエータを複数に分割して配置した例を示す模式図である。 同実施形態に係る内燃機関の別の構成例を示す模式図である。 同実施形態に係るプラズマアクチュエータの別の構成例を示す説明図である。 二つのプラズマアクチュエータが互いに噴流を打ち消し合う様子を示す説明図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は、本発明の実施の形態に係る内燃機関１０の構成例を示す模式図である。図１は、内燃機関１０に設けられた複数の気筒のうちの一つの気筒１９についての構成例を示している。

本実施形態に係る内燃機関１０は、いわゆる４ストローク式の点火式ガソリンエンジンとして構成されている。内燃機関１０は、例えば自動車に搭載されて自動車の動力源として機能する。内燃機関１０は、点火式の内燃機関１０であれば、いわゆる２ストローク式の内燃機関であってもよく、ガソリン燃料以外の燃料を用いる内燃機関であってもよい。

内燃機関１０は、シリンダブロック１１及びシリンダヘッド１３を備えている。シリンダブロック１１には、略円筒状のシリンダボア１１ａが形成されている。シリンダヘッド１３には、シリンダボア１１ａに繋がるようにして略円筒状の凹部１３ａが形成されている。これらのシリンダボア１１ａ及び凹部１３ａにより気筒１９が構成される。

内燃機関１０は、それぞれの気筒１９に対応して、ピストン１５、コネクティングロッド１７、吸気弁２３及び排気弁２７を備えている。ピストン１５は、気筒１９内を摺動自在に収容されている。気筒１９のうち、ピストン１５により区画された空間が燃焼室５として機能する。

コネクティングロッド１７の一端側はピストン１５に連結されている。コネクティングロッド１７の他端側は図示しないクランクシャフトに連結されている。つまり、ピストン１５は、コネクティングロッド１７を介してクランクシャフトに連結され、ピストン１５の往復動作によりクランクシャフトが回転し、内燃機関１０から動力が出力される。

気筒１９には、燃焼室１９ａに連通する吸気ポート２１及び排気ポート２５が接続されている。吸気ポート２１には吸気弁２３が設けられ、排気ポート２５には排気弁２７が設けられている。吸気弁２３は、吸気ポート２１が燃焼室１９ａへ開口する部位に配置され、図示しない復帰用バネにより閉弁方向に常時付勢されている。吸気弁２３は、図示しない吸気カムにより開弁方向に移動可能になっている。吸気カムは、タイミングベルト又はチェーンを介してクランクシャフトに連結されたカムシャフトとともに回転する。かかる吸気カムの回転に伴って、吸気弁２３は、吸気ポート２１を燃焼室１９ａに対して開閉させる。

同様に、排気弁２７は、排気ポート２５が燃焼室１９ａへ開口する部位に配置され、図示しない復帰用バネにより閉弁方向に常時付勢されている。排気弁２７は、図示しない排気カムにより開弁方向に移動可能になっている。排気カムは、タイミングベルト又はチェーンを介してクランクシャフトに連結されたカムシャフトとともに回転する。かかる排気カムの回転に伴って、排気弁２７は、排気ポート２５を燃焼室１９ａに対して開閉させる。

気筒１９には、先端が燃焼室１９ａに臨むように配置された図示しない燃料噴射弁が設けられている。燃料噴射弁は、例えばシリンダブロック１１の壁面に固定される。燃料噴射弁は、主として吸気行程において燃焼室１９ａ内に燃料を噴射する。これにより、燃焼室１９ａ内に、吸気と燃料との混合気が形成される。

気筒１９には、点火装置としてプラズマアクチュエータ３０が設けられている。プラズマアクチュエータ３０は、可動部を持たない比較的簡易な構成の流体制御装置である。プラズマアクチュエータ３０は、電気的な駆動によってプラズマを発生させる機能を有することから、本実施形態に係る内燃機関１０においては混合気に点火する点火装置として用いられる。

本実施形態において、プラズマアクチュエータ３０は、シリンダヘッド１３の凹部１３ａの内周面に、全周に亘ってリング状に設けられている。ただし、プラズマアクチュエータ３０の配置位置は、ピストン１５の上死点よりもシリンダヘッド１３側の燃焼室１９ａの内部であれば特に限定されるものではない。

図２は、プラズマアクチュエータ３０の一構成例を示す説明図である。図２は、図１中に一点鎖線で示した領域Ａを拡大して示している。図２に例示したプラズマアクチュエータ３０は、誘電体バリア放電プラズマアクチュエータ（ＤＢＤ－ＰＡ）であり、絶縁層３１、誘電体３３、表面電極３５及び裏面電極３７を備えている。

絶縁層３１は、電気絶縁性を有する材料からなり、シリンダヘッド１３の内周面上に形成され、シリンダヘッド１３と誘電体３３、表面電極３５及び裏面電極３７とを電気的に絶縁する。絶縁層３１を構成する材料は、例えばシリコン樹脂又はフッ素樹脂等の樹脂、あるいは、ガラス、セラミック等の適宜の絶縁材料を用いることができる。

誘電体３３は、電気絶縁性を有する材料からなり、絶縁層３１上に積層されている。誘電体３３を構成する材料は、例えばシリコン樹脂、フッ素樹脂又はポリイミド樹脂等の樹脂、あるいは、ガラス、セラミック等の適宜の絶縁材料を用いることができる。

表面電極３５及び裏面電極３７は、銅やグラファイト等の導電性の材料からなり、誘電体３３を挟んでその両面に配置されている。表面電極３５は、燃焼室１９ａに露出して設けられ、燃焼室１９ａ内で放電可能に構成されている。裏面電極３７は接地されており、裏面電極３７側で放電が生じないように誘電体３３及び絶縁層３１により絶縁されている。

表面電極３５及び裏面電極３７に対して所定の周波数の交流電圧又はパルス電圧を印加することにより誘電体バリア放電が生じ、表面電極３５の表面近傍にプラズマが生成され、表面電極３５から裏面電極３７へ向かう向きにプラズマジェットが発生する。燃焼室１９ａ内に混合気が形成された状態でプラズマアクチュエータ３０を駆動することにより、生成されるプラズマによって混合気に点火され、混合気が燃焼する。本実施形態に係る内燃機関１０では、プラズマアクチュエータ３０が、シリンダヘッド１３の凹部１３ａの内周面の全周に亘って配置されているため、燃焼室１９ａ内の混合気を均一に燃焼させることができる。

なお、プラズマアクチュエータ３０は、燃焼室１９ａの内周面に、全周に亘って配置される構成に限定されない。プラズマアクチュエータ３０は、燃焼室１９ａの内周面のうちの一部に配置されていてもよく、複数に分割して配置されていてもよい。この場合、燃焼室１９ａ内に形成される混合気の流れの状態を考慮して、プラズマアクチュエータ３０の配置位置を決定することが好ましい。例えば、燃焼室１９ａ内に形成される混合気の密度分布を考慮して、混合気の密度が高くなる位置にプラズマアクチュエータ３０を配置することにより、混合気の燃焼効率を高めることができる。

あるいは、プラズマアクチュエータ３０を複数に分割して配置し、内燃機関１０の運転状態によって形成される混合気の流れの状態を考慮して、点火装置として駆動させるプラズマアクチュエータ３０を選択してもよい。

プラズマアクチュエータ３０は、燃焼室１９ａの内周面のいずれかの位置に取付けることができるため、シリンダブロック１１又はシリンダヘッド１３の強度を低下させるほどの挿入孔を要しない。このため、内燃機関１０の強度を高めることができる。また、プラズマアクチュエータ３０は、絶縁層３１及び誘電体３３と、誘電体３３の両面に配置された層状の表面電極３５及び裏面電極３７とにより構成される簡易な構成であり、また、プラズマアクチュエータ３０を取り付けるための部品点数が増えることもないため、点火プラグを用いる場合に比べて内燃機関１０の重量を低減することができる。

また、プラズマアクチュエータ３０を点火装置として用いることにより、プラズマアクチュエータ３０の駆動時に発生するプラズマジェットを利用して、燃焼室１９ａ内の混合気の流れを制御することもできる。このため、プラズマアクチュエータ３０を用いて、燃焼室１９ａにおける混合気の燃焼特性を制御することもできる。

さらに、混合気の点火時期以外のタイミングでプラズマアクチュエータ３０を駆動させることにより、発生するプラズマジェットを利用して、燃焼室１９ａ内の混合気又は排気の流れを制御することもできる。例えば、吸気行程において燃焼室１９ａ内に燃料が噴射される前にプラズマアクチュエータ３０を駆動させて吸気の流れを制御し、その後に噴射される燃料が混合されて形成される混合気の流れを制御してもよい。これにより、燃焼室１９ａにおける混合気の燃焼特性を制御することができる。あるいは、排気行程において、排気が排気ポート２５へ向かうようにプラズマアクチュエータ３０を駆動させてもよい。これにより、排気効率を向上させ、続く吸気行程における吸気の充填効率を向上させることができる。

図３及び図４は、プラズマアクチュエータを複数に分割して配置した例を示す模式図である。
図３に示す例では、気筒１９のうち燃焼室１９ａに対応する領域の内周面に、４分割されたプラズマアクチュエータ４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄが配置されている。この場合、例えば吸気行程の初期において、気筒１９の上から下方に向かってプラズマジェットが発生するようにプラズマアクチュエータ４０ａ～４０ｄを駆動させる。これにより、吸気の充填効率を高めることができる。また、膨張行程（爆発行程）の初期において、図示しない吸気ポートから気筒１９内に導入される吸気と噴射燃料が混合されて形成される混合気の進行方向に位置する、排気ポート２５側に配置された２つのプラズマアクチュエータ４０ａ，４０ｂを点火装置として駆動させる。これにより、混合気が着火される。また、排気行程において、気筒１９の下から上方に向かってプラズマジェットが発生するようにプラズマアクチュエータ４０ａ～４０ｄを駆動させる。これにより、燃焼後の排気が排気ポート２５へと効率的に排出され、続く吸気行程での吸気の充填効率を高めることができる。

図４に示す例では、２分割されたプラズマアクチュエータ４１ａ，４１ｂが、排気ポート２５の開口部の下側の内面と、排気ポート２５の開口部の上側の気筒１９の最頂部に配置されている。この場合、例えば吸気行程の初期において、気筒１９の上から下方に向かってプラズマジェットが発生するようにプラズマアクチュエータ４１ａ，４１ｂを駆動させる。これにより、吸気の充填効率を高めることができる。また、膨張行程（爆発行程）の初期において、図示しない吸気ポートから気筒１９内に導入される吸気と噴射燃料が混合されて形成される混合気の進行方向に位置する、排気ポート２５側に配置された２つのプラズマアクチュエータ４１ａ，４１ｂを点火装置として駆動させる。これにより、混合気が着火される。また、排気行程において、排気ポート２５に向かってプラズマジェットが発生するようにプラズマアクチュエータ４１ａ，４１ｂを駆動させる。これにより、燃焼後の排気が排気ポート２５へと効率的に排出され、続く吸気行程での吸気の充填効率を高めることができる。

一方、プラズマアクチュエータ３０を点火装置として駆動させる際に生じるプラズマジェットによる混合気の流れの変化を抑制するために、内燃機関１０は、発生するプラズマジェット（噴流）の向きが互いに逆向きの二つのプラズマアクチュエータ３０を備えていてもよい。

図５は、発生するプラズマジェットの向きが互いに逆向きの第１のプラズマアクチュエータ３０ａと第２のプラズマアクチュエータ３０ｂとを備えた内燃機関１０の構成例を示す模式図である。

第１のプラズマアクチュエータ３０ａは、シリンダヘッド１３の凹部１３ａの内周面に、全周に亘ってリング状に設けられている。また、第２のプラズマアクチュエータ３０ｂは、シリンダブロック１１のシリンダボア１１ａの内周面に全周に亘ってリング状に設けられている。ただし、第１のプラズマアクチュエータ３０ａ及び第２のプラズマアクチュエータ３０ｂの配置位置は、ピストン１５の上死点よりもシリンダヘッド１３側の燃焼室１９ａの内部に隣り合わせで配置される限り特に限定されるものではない。

図６は、第１のプラズマアクチュエータ３０ａ及び第２のプラズマアクチュエータ３０ｂの一構成例を示す説明図である。図６は、図５中に一点鎖線で示した領域Ｂを拡大して示している。

第１のプラズマアクチュエータ３０ａの絶縁層３１ａ、誘電体３３ａ、表面電極３５ａ及び裏面電極３７ａは、図２に示したプラズマアクチュエータ３０の絶縁層３１、誘電体３３、表面電極３５及び裏面電極３７と同様の積層構造を有する。第２のプラズマアクチュエータ３０ｂは、表面電極３５ｂ及び裏面電極３７ｂの配置位置が逆になっている以外、図２に示したプラズマアクチュエータ３０の絶縁層３１、誘電体３３、表面電極３５及び裏面電極３７と同様の積層構造を有する。つまり、第１のプラズマアクチュエータ３０ａでは、表面電極３５ａがシリンダヘッド１３側、裏面電極３７ａがシリンダブロック１１側に配置される一方、第２のプラズマアクチュエータ３０ｂでは、表面電極３５ｂがシリンダブロック１１側、裏面電極３７ｂがシリンダヘッド１３側に配置されている。

図７は、第１のプラズマアクチュエータ３０ａ及び第２のプラズマアクチュエータ３０ｂからそれぞれ発生する噴流を示す説明図である。図７に示すように、第１のプラズマアクチュエータ３０ａから発生する噴流は、第２のプラズマアクチュエータ３０ｂに向かって流れる一方、第２のプラズマアクチュエータ３０ｂから発生する噴流は、第１のプラズマアクチュエータ３０ａに向かって流れる。このため、それぞれの噴流が打ち消され合い、第１のプラズマアクチュエータ３０ａ及び第２のプラズマアクチュエータ３０ｂ全体として発生する噴流を抑制することができる。これにより、第１のプラズマアクチュエータ３０ａ及び第２のプラズマアクチュエータ３０ｂによる点火動作により、混合気の流れが変化することを抑制することができる。

なお、第１のプラズマアクチュエータ３０ａ及び第２のプラズマアクチュエータ３０ｂからそれぞれ発生する噴流が完全に打ち消され合うようにするのではなく、それぞれ発生する噴流が完全に打ち消され合う部分、第１のプラズマアクチュエータ３０ａから発生する噴流が残される部分、第２のプラズマアクチュエータ３０ｂから発生する噴流が残される部分を適切に配分して設計してもよい。これにより、第１のプラズマアクチュエータ３０ａ及び第２のプラズマアクチュエータ３０ｂによる点火動作に伴って発生するプラズマジェットにより、燃焼室１９ａ内の混合気の流れの状態を制御することができる。

以上説明したように、本実施形態に係る内燃機関１０は、点火装置として簡易な構成からなるプラズマアクチュエータ３０を備えている。このため、点火プラグを設ける必要がなく、点火プラグ及び点火プラグを取り付けるための部品をなくすことができ、内燃機関１０の重量を低減することができる。また、プラズマアクチュエータ３０は、燃焼室１９ａの内周面の適宜の位置に取付けることができるため、点火プラグの挿入孔のような強度を低下させ得る孔を、シリンダヘッド１３あるいはシリンダブロック１１に設ける必要がない。したがって、内燃機関１０の強度を高めることができるとともに、強度の低下を補強するための構造による重量の増加を抑制することができる。

また、本実施形態に係る内燃機関１０では、点火装置としてのプラズマアクチュエータ３０の配置位置の自由度が高められる。したがって、燃焼室１９ａの形状等、内燃機関１０の設計の自由度を拡大することができる。

また、本実施形態に係る内燃機関１０において、プラズマアクチュエータ３０は、燃焼室１９ａ内の混合気の流れの制御に用いられてもよい。これにより、均質燃焼あるいは成層燃焼等、混合気の燃焼特性を制御することができ、内燃機関１０の効率あるいは燃費を向上させることができる。

また、本実施形態に係る内燃機関１０において、プラズマアクチュエータ３０は、燃焼室１９ａ内の排気の流れの制御に用いられてもよい。これにより、排気効率を向上させることができ、続く吸気行程における吸気の充填効率を高めることができる。

また、本実施形態に係る内燃機関１０において、プラズマアクチュエータ３０が、燃焼室１９ａ内の内周面に全周に亘ってリング状に設けられている。このため、燃焼室１９ａ内の混合気に対する点火位置が拡大され、混合気を均一に燃焼させることができる。

また、本実施形態に係る内燃機関１０は、発生する噴流の向きが互いに逆向きの第１のプラズマアクチュエータ３０ａ及び第２のプラズマアクチュエータ３０ｂを含んでもよい。例えば、それぞれ発生する噴流が互いに打ち消されるように第１のプラズマアクチュエータ３０ａ及び第２のプラズマアクチュエータ３０ｂが配置されることにより、点火動作によって混合気の流れが変化することを抑制することができる。また、それぞれ発生する噴流が完全に打ち消され合う部分、第１のプラズマアクチュエータ３０ａから発生する噴流が残される部分、第２のプラズマアクチュエータ３０ｂから発生する噴流が残される部分を配分することにより、点火動作に伴って発生する噴流により、混合気の流れを制御することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、プラズマアクチュエータ３０は、誘電体バリア放電プラズマアクチュエータに限られず、例えば、プラズマ発生領域が大きくなるように改良されたＳｌｉｄｉｎｇ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ（ＳＤ）式プラズマアクチュエータ等の他の公知のプラズマアクチュエータであってもよい。

１０…内燃機関、１１…シリンダブロック、１１ａ…シリンダボア、１３…シリンダヘッド、１３ａ…凹部、１５…ピストン、１９…気筒、１９ａ…燃焼室、３０・３０ａ・３０ｂ…プラズマアクチュエータ、３１…絶縁層、３３…誘電体、３５…表面電極、３７…裏面電極

Claims (5)

1. 気筒の燃焼室内に形成される混合気に点火する点火式の内燃機関であって、
   点火装置としてプラズマアクチュエータを備えた、点火式の内燃機関。
2. 前記点火装置としてのプラズマアクチュエータは、さらに前記気筒内の混合気の流れの制御に用いられる、請求項１に記載の点火式の内燃機関。
3. 前記点火装置としてのプラズマアクチュエータは、さらに前記気筒内の排気の流れの制御に用いられる、請求項１又は２に記載の点火式の内燃機関。
4. 前記プラズマアクチュエータは、前記内燃機関の燃焼室の内周面の全周に亘ってリング状に設けられる、請求項１～３のいずれか１項に記載の点火式の内燃機関。
5. 前記点火装置としてのプラズマアクチュエータは、発生する噴流の向きが互いに逆向きの二つのプラズマアクチュエータを含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の点火式の内燃機関。
   

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