JP4710820B2

JP4710820B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JP4710820B2
Application number: JP2006343636A
Authority: JP
Inventors: 恵理子松村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2026-12-20
Also published as: JP2008157037A

Description

本発明は、燃焼室に燃料噴射弁を挿し込んで燃料を直接噴射するタイプの内燃機関、いわゆる直噴型の内燃機関に関する。特に、燃料噴射弁の噴孔に付着するデポジット抑制を考慮した内燃機関に関する。

ガソリンエンジンなどの内燃機関では、空気と燃料とを混ぜ合わせた混合気を燃焼室内で燃焼させて出力を得ている。ここで、使用する燃料は、反応性を高くして燃焼室内で燃焼させるのが望ましい。このような燃料を使用すれば、完全燃焼を促進して燃費向上や排気改善を図ることができる。特許文献１は、このような観点からの改善技術を提案している。特許文献１は、内燃機関で使用する燃料や還元剤をプラズマ処理する装置について開示している。この装置は、ガスをプラズマ化するプラズマトーチと、プラズマが供給される領域に燃料等を噴射するインジェクタとを備えている。特許文献１で開示する技術を採用する内燃機関は、噴射された燃料がプラズマ化したガスと接触することで成分が分解（クラッキング）される。このような燃料は微粒化され活性が高い状態であるので、これを燃焼室で燃焼させると燃費向上や排気改善を図ることができる。

特開２００６−９７０３号公報

ところで、近年、燃費向上などの点から燃焼室内に燃料を直接に噴射する、直噴型と称される内燃機関が注目されている。特許文献１の技術を直噴型の内燃機関に適用すれば、燃料の気化や反応性を高めて効率の良い燃焼を実現することを期待できる。

しかしながら、直噴型の内燃機関の場合、継続的な運転でインジェクタの燃料噴射口（噴孔）にデポジットが付着（堆積）することが知られている。ここでデポジットとは、内燃機関の内部で燃料や潤滑油などが燃え残った煤状の物質であり、カーボンデポジットとも称される。インジェクタの噴孔にデポジットが付着すると、燃料の流量低下、噴霧形状の変形原因となり内燃機関の始動性や加速性の悪化、また排出ガスの増加などの要因となる。そこで、インジェクタに付着するデポジットを抑制することについてへの配慮が必要である。しかし、特許文献１は、このような点にまで配慮していないのでデポジット抑制という観点からの改善が望まれる。

よって、本発明の目的は、デポジットも抑制できるプラズマ処理機能を備えた直噴型の内燃機関を提供することである。

上記目的は、ガスをプラズマ化するプラズマ発生部と燃料を噴射する燃料噴射部とを備えている燃料噴射装置を、燃焼室に臨むように配備して、プラズマ処理した燃料を燃焼可能としている内燃機関であって、前記プラズマ発生部に、前記ガスとして空気及び排気ガスを再循環させたＥＧＲガスを供給し、前記燃料噴射部へのデポジット付着が予想される場合に、前記プラズマ発生部に供給される前記ガスとして前記空気を選択することで、または前記プラズマ発生部に供給される前記ガス中の前記空気の比率を増加させることで、前記プラズマ発生部への空気の導入量を増加させる制御手段を備えることを特徴とする内燃機関により達成できる。

本発明によると、制御手段が燃料噴射部へのデポジット付着が予想される状況で、プラズマ発生部への空気の導入量を増加させるので局所的にオゾンを発生させて効率良くデポジットの除去或いはデポジットの発生を予防できる。よって、デポジットも抑制できるプラズマ処理機能を備えた直噴型の内燃機関を提供できる。

そして、前記制御手段は、前記燃料噴射部の噴孔付近の温度が所定温度以上となる運転領域にあることに基づいて、前記デポジット付着を予想するようにしてもよい。

また、前記燃焼室へ吸気を供給する吸気通路の途中に、燃料を噴射する燃料噴射弁を更に備え、前記制御手段は、前記燃料噴射装置の燃料噴射部からの燃料噴射を停止して、前記燃料噴射弁から燃料を噴射するときに、前記デポジット付着を予想するようにしてもよい。

本発明によれば、デポジットも抑制できるプラズマ処理機能を備えた直噴型の内燃機関を提供できる。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る内燃機関について説明する。

図１は、実施例１に係る内燃機関１Ａの概略構成を模式的に示した図である。この内燃機関１Ａは従来の内燃機関と同様に、シリンダ２内にピストン３が上下動自在に配置されている。ピストン３の上面には凹部３ａが形成され、その上方が燃焼室４となっている。この燃焼室４に臨むように点火プラグ５が配備されている。さらに、燃焼室４に吸気を供給する吸気ポート１０及び燃焼室４で発生した排気ガスを排出するための排気ポート１２がそれぞれ接続されている。そして、吸気ポート１０の燃焼室４側の開口部には吸気弁１１、また排気ポート１２には排気弁１３がそれぞれ配備されている。上記吸気ポート１０は吸気通路の一部であり、その上流側にはエアクリーナ、エアフロメータ、スロットルバルブなどが適宜に配置されているが、ここでは図示を省略している。

この内燃機関１Ａは燃焼室４内に燃料を直接に噴射する直噴型である。よって、燃料を噴射する燃料噴射装置２０が燃焼室４に臨むように配置されている。この燃料噴射装置２０は、燃焼室４内に燃料ＦＥを単に噴射するだけでなく、噴霧された燃料をプラズマ処理する機能を備えている。さらに、燃料噴射装置２０周辺の構成について説明する。

燃料噴射装置２０は、燃料を燃焼室４内に噴射させるための構造である燃料噴射弁（以下、インジェクタと称する）を本体として、噴射した燃料の微粒化等を促進するためのプラズマを生成させるプラズマ装置が付加された構造となっている。すなわち、燃料噴射装置２０は燃料を噴射する燃料噴射部とプラズマ発生部とを備えている複合型の燃料噴射装置として構成されている。

図示しているように、燃料噴射装置２０は油圧ポンプ９を介して燃料タンク８に接続されていると共に、プラズマ発生に用いるパルス電源７にも接続されている。そして、燃料噴射装置２０は燃料をプラズマ処理するときに使用するガス（キャリアガス）として、空気及びＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガスを使用できるように設計してある。よって、内燃機関１Ａは空気及びＥＧＲガスを供給するガス供給構造１５を備えている。このガス供給構造１５は、空気（外気）及び排気ガスを再循環させたＥＧＲガスを燃料噴射装置２０へ供給するための構造体であればよく、適宜に設定すればよい。例えば、ガス供給構造１５は吸気通路から分岐した空気導入管１６と排気ポート１２から排気ガスを還流する還流管１７とを単に集合させた構造でもよい。ガス供給構造１５の下流側には、燃料噴射装置２０へ供給する空気とＥＧＲガスとを切替えるガス切替バルブ１８及びガスを燃料噴射装置２０へ圧送するガスポンプ１９が配備されている。なお、ガス切替バルブ１８は、空気又はＥＧＲガスを択一的に切替える構造でもよいし、弁体の開度に応じて空気とＥＧＲガスとの混合比を変更できる構造であってもよい。

なお、ここでプラズマ化するガスとして採用する空気及びＥＧＲガスは、適度な水分を含有している。この水分はプラズマ化されるとＯＨラジカル、Ｏラジカルを発生させる。これらのラジカルは、燃料のクラッキング、軽質化を促進し、またプラズマによって切断された燃料の分子鎖の末端に結合して、不飽和炭化水素の生成を防いでデポジットの生成を抑制する。さらに、ＥＧＲガスは比較的酸素濃度が低いのでプラズマ化したときに燃料を酸化させる傾向が低い点においても好ましい。

図２は、図１で示す燃料噴射装置２０の主要構成を模式的に示している図である。前述したように、燃料噴射装置２０は燃料噴射部として機能するインジェクタを本体した燃料噴射装置で、噴射した燃料をプラズマ処理するプラズマ部を備えている。燃料噴射装置２０のプラズマ発生部は、例えば放電プラズマを利用するものである。プラズマ化されるガスＰＧを流通させる導電性の円筒状導管２２の中央にインジェクタ２５が配備されている。このインジェクタ２５のノズルボディ２６が放電電極として機能するように設計されている。

そして、円筒状導管２２とインジェクタ２５との間に絶縁材２４が配置されている。また、上記円筒状導管２２とインジェクタ２５とは対電極となるようにして、それぞれが接地及びパルス電源７（図１参照）に接続されている。円筒状導管２２とインジェクタ２５とは、いずれをカソードとすることも、またアノードとすることもできる。また、円筒状導管２２とインジェクタ２５はいずれを接地することもできる。

この燃料噴射装置２０のプラズマ発生部の使用においては、パルス電源７によって円筒状導管２２とインジェクタ２５との間に放電を発生させる。インジェクタ２５と絶縁材２４との間にはガス通路２３が形成されている。このガス通路２３は、図１で示しているガスポンプ１９に接続されている。よって、このガス通路２３にはガスＰＧとして、空気、ＥＧＲガス或いはこれらの混合気が供給されプラズマ化される。よって、図２で模式的に示すようにプラズマ化されたガスにより、インジェクタ２５の先端にプラズマ領域２１が形成される。

インジェクタ２５のノズルボディ２６に形成されている噴孔２７から噴射する燃料ＦＥをプラズマ領域２１と接触させることで、プラズマ処理されて微粒化を促進し、また活性化を高めることができる。

再度、図１を参照すると、以上で説明した内燃機関１Ａの各部は電子制御装置（Electronic Control Unit、以下、ＥＣＵ６と称する）によって全体的に制御されている。ＥＣＵ６は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算処理装置）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入出力回路などを有して構成されている。このＥＣＵ６には、例えば内燃機関の回転数を検出するクランク角センサ、シリンダを冷却する冷却水温度を検出する水温センサ、アクセルペダルの踏込み量を検出するアクセルセンサなど各種のセンサから出力が供給されている。ＥＣＵ６は、これらセンサの出力に基づいて、前述した吸気弁１１、排気弁１３の動作や燃料噴射装置２０の駆動タイミング、さらには点火プラグ５の点火タイミングなどを制御して、内燃機関１を円滑に駆動させる。そのためにＲＯＭにはＣＰＵが実行する種々の処理が記述されたプログラムが格納されている。

特に、本実施例のＥＣＵ６は燃料をプラズマ処理する機能を備えた燃料噴射装置２０を制御して、デポジット付着を抑制しながら燃費向上や排気改善を図っている。この点ついて更に説明する。図２で示している燃料噴射装置２０は、図１の燃焼室４内に臨むように配置される。よって、内燃機関１Ａの長期駆動して燃料噴射装置２０のインジェクタ２５から燃料を繰り返し噴射している間に噴孔２７の周辺にデポジットＤＰが付着して堆積する場合がある。デポジット付着量が一定以上になると、噴孔２７から噴射される燃料ＦＥの障害となって、その流量や噴霧形状を悪化させる。

ところで、内燃機関１Ａの運転状態でインジェクタにデポジットが付着し易い状況と、付着し難い状況とになる場合がある。例えば、内燃機関が一定時間以上で高負荷運転されているような運転状況では、燃焼室内の温度がかなり高温となるので付着していたデポジットを燃焼させて除去できる。一方、内燃機関の始動直後などの運転状況では、燃焼室内の温度はそれ程にも高くない。よって、この噴孔に付着したデポジットはそのまま、或いは更にデポジットの付着量が増加して、流量や噴霧形状を悪化させるような状況になる場合がある。インジェクタ２５の先端部の温度が所定温度となるような運転状況がこれに相当する。例えば、アイドル運転時のように低回転で低負荷となるような運転状況で、インジェクタ先端部の温度が例えば約１５０℃以上の場合にデポジットが発生し易い。

内燃機関１ＡのＥＣＵ６は、図示しないＥＧＲ装置が駆動されてＥＧＲガスを利用できるときには、燃料をプラズマ処理するためのガスとしてＥＧＲガスを利用する。そして、ＥＣＵ６は上記のようにデポジット付着が予想される運転状況となったときは、前記ガスとして空気の導入量を増加させる。ＥＣＵ６は図１のガス切替バルブ１８を制御して使用するガスとして空気を選択（或いは、空気比率を増大）し、またガスポンプ１９を制御して必要な流量を燃料噴射装置２０へ供給する。そして、ＥＣＵ６はパルス電源７を制御して空気をプラズマ化する。プラズマ化された空気は、オゾン（Ｏ_３）を発生させる。このように発生させたオゾンは酸化性が強いので、炭素を主体とするデポジットの完全燃焼を促進できる。完全燃焼したデポジットは、二酸化炭素（ＣＯ_２）の形態となり無毒化されて排気ガスとともに機外へ放出される。

上記のように、内燃機関１ＡのＥＣＵ６は運転状況からインジェクタへのデポジット付着が予想されるときには、プラズマ化するガスとして空気を選択する。そして、インジェクタの先端部付近に局所的にオゾンを発生させてデポジットを除去する。よって、内燃機関１Ａは、プラズマ処理機能を備えることで燃費向上や排気改善を図り、更にデポジット付着も抑制できる優れた内燃機関となる。

なお、大気環境を保護するという観点から、オゾンの放出は規制すべきである。本実施例の場合には、燃料噴射装置２０のインジェクタ２５先端に付着するデポジットを酸化させるため領域を限り、一時的かつ局所的にオゾンを発生させてデポジットの処理に消費するので環境保護の観点からも問題にはならない。

図３は、実施例２に係る内燃機関１Ｂの概略構成を模式的に示した図である。この実施例２の説明では、図３で実施例１の内燃機関１Ａと同じ部位に同一の符号を付すことで重複する説明を省略し、実施例１と異なる部分を中心に説明する。

内燃機関１Ｂは、吸気ポート１０に第２の燃料噴射弁となるインジェクタ３０が配備されている。内燃機関１Ｂは、前述した燃料噴射装置２０のインジェクタ２５及びインジェクタ３０を備えるので、運転状況に応じて燃料を噴射するインジェクタを選択的に採用して効率の良い運転を行える。この実施例２でもＥＣＵ６が燃料噴射装置２０内のインジェクタ２５及びインジェクタ３０の燃料噴射タイミングを制御する。また、ＥＣＵ６は必要に応じて燃料噴射装置２０でプラズマ化したガスを発生させる。

ＥＣＵ６が内燃機関１Ｂの運転状況に応じて、燃料を噴射させるインジェクタを選択的に制御を実行したときに、吸気ポート１０側のインジェクタ３０だけから燃料噴射し、燃焼室４内の燃焼を燃料噴射装置２０のプラズマ部を駆動してプラズマ処理するという状況が発生する場合も想定される。このような状況では、燃料噴射装置２０のインジェクタ２５から燃料噴射が行われないので噴孔２７にデポジットが付着し易くなる。このデポジットを放置すると、次に燃料噴射装置２０のインジェクタ２５から燃料噴射するときに、前述した問題が生じることになる。

そこで、内燃機関１ＢのＥＣＵ６はインジェクタ２５へ付着したデポジットの除去と付着の予防という観点から、吸気ポート１０側のインジェクタ３０を駆動して燃料噴射する場合で、燃料噴射装置２０からは燃料噴射は行わずプラズマ処理を実行するという場合には、燃料噴射装置２０へ供給するガスとして空気を使用する。或いは、使用するガスの空気とＥＧＲガスとの比率を調整できる場合には空気の導入量を増加させる。

以上で説明した実施例２の内燃機関１Ｂによっても、ＥＣＵ６が運転状況からインジェクタ２５へのデポジット付着が予想されるときには、プラズマ化するガスとして空気の導入量を増加させる。そして、インジェクタの先端部付近に局所的にオゾンを発生させてデポジットを除去或いは予防する。よって、内燃機関１Ｂの場合もプラズマ処理機能を備えることで燃費向上や排気改善を図り、更にデポジット付着を抑制できる内燃機関となる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

実施例１に係る内燃機関１Ａの概略構成を模式的に示した図である。図１で示す燃料噴射装置の主要構成を模式的に示している図である。実施例２に係る内燃機関１Ｂの概略構成を模式的に示した図である。

符号の説明

１（１Ａ、１Ｂ）内燃機関
２シリンダ
４燃焼室
７パルス電源
６ＥＣＵ（制御手段）
１０吸気ポート
１３排気ポート
２０燃料噴射装置
２５インジェクタ（燃料噴射部）
２２、２６プラズマ発生部
２６ノズルボディ
２７噴孔
３０インジェクタ（燃料噴射弁）
ＤＰデポジット
ＦＥ燃料

Claims

ガスをプラズマ化するプラズマ発生部と燃料を噴射する燃料噴射部とを備えている燃料噴射装置を、燃焼室に臨むように配備して、プラズマ処理した燃料を燃焼可能としている内燃機関であって、
前記プラズマ発生部に、前記ガスとして空気及び排気ガスを再循環させたＥＧＲガスを供給し、
前記燃料噴射部へのデポジット付着が予想される場合に、前記プラズマ発生部に供給される前記ガスとして前記空気を選択することで、または前記プラズマ発生部に供給される前記ガス中の前記空気の比率を増加させることで、前記プラズマ発生部への空気の導入量を増加させる制御手段を備える、ことを特徴とする内燃機関。
前記制御手段は、前記燃料噴射部の噴孔付近の温度が所定温度以上となる運転領域にあることに基づいて、前記デポジット付着を予想する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
前記燃焼室へ吸気を供給する吸気通路の途中に、燃料を噴射する燃料噴射弁を更に備え、
前記制御手段は、前記燃料噴射装置の燃料噴射部からの燃料噴射を停止して、前記燃料噴射弁から燃料を噴射するときに、前記デポジット付着を予想する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。