JP5117202B2 - エンジン - Google Patents

Description

本発明は、点火プラグの先端を臨ませてエンジン本体内に形成される燃焼室に外部から空気を供給するための吸気通路を有して前記エンジン本体に接続される吸気装置に、前記吸気通路を流通する空気をプラズマ化するプラズマ発生手段が付設されるエンジンに関する。

吸気装置に付設されたプラズマ発生装置に高電圧を印加することでプラズマ化された混合気を燃焼室に供給して燃焼効率を改善したエンジンが、特許文献１で知られている。
特開平０８−２００１９０号公報

ところで、一般的に燃焼効率はエンジンの低負荷・低回転領域では低く、高負荷・高回転領域では高いという傾向がある。すなわち高負荷・高回転領域では燃焼効率の改善の余地が低いということが言える。したがって低負荷・低回転領域では混合気のプラズマ化によって燃費の低減が期待できるものの、高負荷・高回転領域では低負荷・低回転領域ほど燃費の低減が期待できず、プラズマを発生させるために必要な消費電力による燃料消費量の増加が、プラズマ発生による燃費低減量を上回ってしまい、エンジン全体のエネルギー効率低下を招く可能性がある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃焼効率を改善するために吸気通路を流通する空気のプラズマ化を可能としつつ、エンジン全体のエネルギー効率を高めたエンジンを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、点火プラグの先端を臨ませてエンジン本体内に形成される燃焼室に外部から空気を供給するための吸気通路と、この吸気通路を開閉するスロットル弁と、このスロットル弁を開閉駆動すべく該スロットル弁に連結されるスロットルドラムとを有する吸気装置が、前記エンジン本体に接続され、その吸気装置に、前記吸気通路を流通する空気をプラズマ化するプラズマ発生手段が付設され、前記スロットルドラムには、運転者の操作によって牽引されるスロットルワイヤが巻き掛け、連結されるエンジンであって、前記プラズマ発生手段に電圧および周波数の少なくとも一方を可変として電力を供給する電力供給手段と、エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、該運転状態検出手段の検出結果に応じて前記電力供給手段から前記プラズマ発生手段への電力供給を制御する制御手段とを備えるものにおいて、前記運転状態検出手段が、前記スロットル弁の開度を検出するスロットル開度センサならびにエンジン回転数を検出するエンジン回転数センサの少なくとも一方を備え、前記制御手段が、前記運転状態検出手段による検出値が低回転・低負荷領域にあるとき以外は前記プラズマ発生手段によるプラズマ発生を回避するように前記電力供給手段を制御し、前記吸気装置は、前記スロットル弁を迂回して前記吸気通路の、スロットル弁よりも上流側及び下流側に上流端及び下流端がそれぞれ通じる、前記吸気通路よりも通路断面積が小さい管と、その管を開閉する空気制御弁とを更に有していて、その空気制御弁が、該空気制御弁を前記スロットル弁に連動して開閉駆動すべく前記スロットルドラムに連結され、前記プラズマ発生手段は、前記空気制御弁よりも下流側で前記管の途中に設けられることを特徴とする。

本発明によれば、エンジンの運転状態に応じて電力供給手段を制御することによって、エンジンの運転状態に応じた適切なプラズマ発生を実現し、エンジン全体のエネルギー効率を高めることができる。

また混合気のプラズマ化によって燃費の低減が期待できる低負荷・低回転領域ではプラズマを発生させて燃焼効率の向上を図るものの、低負荷・低回転領域ほど燃費の低減が期待できない高負荷・高回転領域ではプラズマを発生させないようにして、プラズマを発生させるために必要な消費電力による燃料消費量の増加が、プラズマ発生による燃費低減量を上回ることがないようにして、エンジン全体のエネルギー効率を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に示した本発明の一実施例に基づいて説明する。

図１〜図９は本発明の一実施例を示すものであり、図１は本発明を適用した自動二輪車の側面図、図２はエンジンの側面図、図３はエンジンの要部拡大縦断側面図、図４は図３の４−４線断面図、図５は非プラズマ用空気およびプラズマ用空気のエンジン負荷に対する変化を示す図、図６は図４の６−６線拡大断面図、図７は電圧および周波数に対するオゾン発生量の関係を示す図、図８はスロットル開度およびエンジン回転数に応じた周波数設定例を示す図、図９はスロットル開度およびエンジン回転数に応じた電圧設定例を示す図である。

先ず図１において、本発明が適用されるエンジンＥは、空冷の単気筒４ストロークエンジンであり、自動二輪車にクランクシャフト１１の軸線を車幅方向に沿わせた横置き配置で搭載される。

自動二輪車の車体フレームＦは、前輪ＷＦを軸支するフロントフォーク１２を操向可能に支承するヘッドパイプ１３と、該ヘッドパイプ１３から後下がりに延びるメインフレーム１４と、該メインフレーム１４の後部から後上がりに延びる左右一対のリヤフレーム１５…と、前記メインフレーム１４の後端に連設されて下方に延びるピボットプレート１６とを備え、前記エンジンＥの一部および車体フレームＦは車体カバー１７で覆われる。

前記フロントフォーク１２の上端部にはバー状の操向ハンドル１８が連結され、前記ピボットプレート１６に枢軸１９を介して前端部が揺動可能に支承されるスイングアーム２０の後部には後輪ＷＲが軸支され、前記両リヤフレーム１５…のうち左側のリヤフレーム１５およびスイングアーム２０間にはリヤクッションユニット２１が設けられる。また前記車体フレームＦの後部上に配置される乗車用シート２２の下方に配置される燃料タンク２３が前記両リヤフレーム１５…の後部間に設けられる。

図２において、前記エンジンＥのエンジン本体２５は、前記クランクシャフト１１を回転自在に支承するクランクケース２６と、ほぼ水平となるように前傾したシリンダ軸線を有して前記クランクケース２６に結合されるシリンダブロック２７と、前記クランクケース２６とは反対側でシリンダブロック２７に結合されるシリンダヘッド２８とを備え、前記クランクシャフト１１から伝達される回転動力を択一的に選択された複数変速段で変速する歯車式変速機構を含む前記変速機が前記クランクケース２６内に収容され、前記変速機の出力軸２９および前記後輪ＷＲの車軸３０間には、無端状のチェーン３１を含む動力伝達手段３２が設けられる。

図３を併せて参照して、前記シリンダブロック２７に形成されたシリンダボア３３にはピストン３４が摺動可能に嵌合されており、このピストン３４はコネクティングロッド３５を介して前記クランクシャフト１１に連接される。エンジン本体２５におけるシリンダブロック２７およびシリンダヘッド２８間には前記ピストン３４の頂部を臨ませる燃焼室３６が形成されており、点火プラグ３７（図４参照）がその先端を燃焼室３６に臨ませるようにしてシリンダヘッド２８に取付けられる。

シリンダヘッド２８には前記燃焼室３６に通じ得る吸気ポート３９がシリンダヘッド２８の上部側壁に開口するようにして設けられるとともに、前記燃焼室３６に通じ得る排気ポート４０がシリンダヘッド２８の下部側壁に開口するようにして設けられ、吸気ポート３９を開閉する吸気弁４１ならびに排気ポート４０を開閉する排気弁４２が閉弁方向にばね付勢されつつ開閉作動可能としてシリンダヘッド２８に配設される。

前記吸気弁４１および前記排気弁４２は、前記クランクシャフト１１と平行な軸線を有してシリンダヘッド２８に回転自在に支承されるカムシャフト４３と、該カムシャフト４３に設けられる吸気側動弁カム４４で揺動駆動されるようにして前記吸気側動弁カム４４および前記吸気弁４１間に介設される吸気側ロッカアーム４６と、前記カムシャフト４３に設けられる排気側動弁カム４５で揺動駆動されるようにして前記排気側動弁カム４５および前記排気弁４２間に介設される排気側ロッカアーム４７とを備える動弁装置４８で開閉駆動され、前記カムシャフト４３には、前記クランクシャフト１１の回転動力が１／２の減速比で伝達される。

前記排気ポート４０には排気装置４９が接続されるものであり、この排気装置４９は、前記排気ポート４０に通じるようにしてシリンダヘッド２８の下部側壁に上流端が接続される排気管５０と、前記後輪ＷＲの右側方に配置されて前記排気管５０の下流端に接続される排気マフラー５１（図１参照）とを備える。

図４を併せて参照して、前記吸気ポート３９には吸気装置５３が接続されるものであり、この吸気装置５３は、前記エンジン本体２５の前方斜め上方に配置されて前記メインフレーム１４に支持されるエアクリーナ５４と、該エアクリーナ５４に上流端が接続されるスロットルボディ５５と、前記吸気ポート３９に通じて前記シリンダヘッド２８の上部側壁および前記スロットルボディ５５の下流端間を接続する吸気管５６とを備え、吸気管５６は、電気的および熱的な絶縁材料たとえばゴムによって形成される。

前記吸気装置５３のスロットルボディ５５および吸気管５６内には、外部からエアクリーナ５４に導入されて該エアクリーナ５４で浄化される空気を前記吸気ポート３９から前記燃焼室３６に供給するための吸気通路５７が形成されており、この吸気通路５７の開度を制御するバタフライ型のスロットル弁５８が、スロットルボディ５５に回動自在に軸支された弁軸５９に固定され、スロットルボディ５５から突出した弁軸５９の一端には、運転者の操作によって牽引されるスロットルワイヤ６１が巻き掛け、連結されるスロットルドラム６０が固定され、前記弁軸５９は前記スロットル弁５８の閉弁方向にばね付勢される。

またスロットルボディ５５には、前記スロットル弁５８よりも下流側で前記吸気通路５７に燃料を噴射する燃料噴射弁６２が取付けられており、スロットル弁５８で流量制御された空気が前記燃料噴射弁６２から噴射された燃料と混合して形成された混合気が、前記吸気弁４１の開弁時に吸気ポート３９から前記燃焼室３６に供給されることになり、燃焼室３６内で前記点火プラグ３７の点火によって燃焼する。

前記吸気装置５３には、前記吸気通路５７を流通する空気をプラズマ化するプラズマ発生手段６３が付設されており、このプラズマ発生手段６３は、前記スロットル弁５８よりも上流側で前記吸気通路５７に通じるようにしてスロットルボディ５５に上流端が接続される空気導入管６４の下流端と、前記燃料噴射弁６２の噴口６２ａよりも下流側で前記吸気通路５７に通じるようにしてスロットルボディ５５に下流端が接続されるプラズマ供給管６５の上流端との間に設けられ、それら管６４，６５は、吸気通路５７よりも通路断面積が小さい。而して、それら管６４，６５は、スロットル弁５８を迂回して吸気通路５７の、スロットル弁５８よりも上流側及び下流側に上流端及び下流端がそれぞれ通じていると共に、それら管６４，６５の途中にプラズマ発生手段６３が設けられる。

前記空気導入管６４の中間部には、前記スロットル弁５８が固定された前記弁軸５９の他端側を回動自在に軸支する軸支部６４ａが設けられており、この軸支部６４ａはスロットルボディ５５に連結される。すなわち前記弁軸５９の他端側は、スロットルボディ５５と、前記空気導入管６４の軸支部６４ａとで回動自在に支承されており、空気導入管６４内に形成された空気導入通路６６の空気流通量を制御する空気制御弁６７が前記空気導入通路６６内で前記弁軸５９に設けられる。前記空気制御弁６７はスロットル弁５８の開度が大きくなるにつれて開度が大きくなるようにスロットル弁５８と連動して開閉作動するものであり、プラズマ発生手段６３に導入される空気量すなわちプラズマ用空気量と、スロットル弁５８で制御される非プラズマ用空気量とは、図５で示すようにエンジン負荷の増大に応じて増大することになる。

而して前記非プラズマ用空気および前記プラズマ用空気の総量が、エンジンＥの運転状態に適合した空燃比が得られるように吸入空気として吸気ポート５７に供給され、その空気総量が、図５の鎖線で示すようにエンジン負荷の増大に応じて大きくなるのであるが、非プラズマ用空気量に対するプラズマ用空気量の割合がエンジン負荷が小さくなるのに応じて大きくなるように、またエンジンＥの低負荷運転域ではプラズマ用空気量が非プラズマ用空気量よりも多く、エンジンＥの高負荷運転域ではプラズマ用空気量が非プラズマ用空気量よりも少なくなるように、スロットル弁５８の開度に対する空気制御弁６７の開度が設定される。

このようにスロットル弁５８で制御される非プラズマ用空気量に対するプラズマ用空気量の割合がエンジン負荷が小さくなるのに応じて大きくなるよう制御されると、エンジンＥの低負荷運低域で設定空燃比を維持しつつ燃焼性の向上効果を高めることができ、しかもエンジンＥの低負荷運転域ではプラズマ用空気量が非プラズマ用空気量よりも多いので燃焼性の向上効果をより一層高めることができる。

図６において、前記プラズマ発生手段６３は、電気的および熱的な材料から成るハウジング７０と、該ハウジング７０内に配置されてハウジング７０に固定配置される円筒状の接地電極７３と、該接地電極７３の内側に固定配置される円筒状の誘電体７２と、該誘電体７２内に同軸に配置される円柱状の印加電極７１とを備え、印加電極７１および誘電体７２間に環状の放電空間７６が形成される。

ハウジング７０は、その下流端に小径円筒部７０ａを有して円筒状に形成されており、ハウジング７０の上流端は空気導入管６４の下流端に同軸に接続され、前記小径円筒部７０ａが前記プラズマ供給管６５の上流端に嵌合することでハウジング７０の下流端がプラズマ供給管６５の上流端に接続される。

前記誘電体７２および接地電極７３は、前記ハウジング７０の上流端から突出して前記空気導入管６４の下流端に嵌合される。また前記誘電体７２の前記プラズマ供給管６５側の端部は、前記印加電極７１および前記接地電極７３よりもプラズマ噴出方向すなわち前記プラズマ供給管６５側に突出するように配置されており、このような配置構造によって、印加電極７１および接地電極７３間でのアークの発生が防止される。

ハウジング７０の前記空気導入管６４側の端部には、印加電極側接続端子７７および接地電極側接続端子７８が設けられており、印加電極側接続端子７７は電線７９を介して印加電極７１に接続され、接地電極側接続端子７８は電線８０を介して接地電極７３に電気的に接続される。

而して前記放電空間７６において電圧が印加された印加電極７１および接地電極７３間に誘電体バリア放電が生じると、空気導入管６４で導かれたプラズマ用空気がプラズマ状態となってプラズマが発生し、プラズマ状態となった空気が、スロットル弁５８で流量制御されるとともに燃料噴射弁６２からの燃料が混入された空気と、前記燃料噴射弁６２の噴口６２ａよりも下流側で混合することになる。

ところでプラズマ発生手段６３でのプラズマ発生はその発生雰囲気圧力が低くなるほど効果的であることが知られており、燃焼室３６内での混合気の着火または着火直前の時期である圧縮上死点付近での燃焼室３６内に圧縮圧力に相当する圧力または該圧縮圧力以上の圧力よりも低い発生雰囲気でプラズマを発生させることができれば、プラズマの発生効率を高めることができ、それによってプラズマ発生手段６３の小型、軽量化が可能となり、消費エネルギーの低減も可能となる。

そこで、この実施例では、環状の放電空間７６をスロットル弁５８よりも下流側の吸気通路５７に連通させているものであり、圧縮上死点付近の燃焼室３６の圧力よりも低い圧力となっている前記吸気通路５７に放電空間７６が連通しているので、プラズマ発生手段６３でのプラズマ発生効率を高め、プラズマ発生手段６３の小型、軽量化ならびに消費エネルギーの低減を可能としている。

前記プラズマ発生手段６３の前記印加電極側接続端子７７および接地電極側接続端子７８には電力供給手段８２が接続されており、この電力供給手段８２は、電圧および周波数の少なくとも一方を可変として前記プラズマ発生手段６３に電力を供給することができる。

ところで空気がプラズマ化されると、オゾン、窒素酸化物および高反応性ラジカル等が生成し、プラズマ発生量が多くなるとオゾンの発生量も多くなるのであるが、図７で示すように、電圧が高くなるとオゾン発生量が高くなり、同一電圧でも周波数がＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ（Ａ＜Ｂ＜Ｃ＜Ｄ＜Ｅ）と順次高くなるにつれてオゾン発生量が多くなるものであり、この実施例では、電力供給手段８２からプラズマ発生手段６３に供給される電力の電圧および周波数の両方を変化させることでプラズマ発生手段６３でのプラズマ発生量が制御される。

再び図２に注目して、前記電力供給手段８２から前記プラズマ発生手段６３への電力供給は制御手段８３によって制御される。この制御手段８３には、エンジンＥの運転状態を検出する運転状態検出手段８４の検出値が入力されるものであり、運転状態検出手段８４は、前記吸気装置５３が備えるスロットル弁５８の開度を検出するスロットル開度センサ８５ならびにエンジン回転数を検出するエンジン回転数センサ８６の少なくとも一方を備えるものであり、この実施例では、スロットル開度センサ８５およびエンジン回転数センサ８６の両方を備えるとともに、吸気温センサ８７および油温センサ８８を備える。

而して前記スロットル開度センサ８５は、図４で示すように、スロットル弁５８および空気制御弁６７が設けられる弁軸５９のスロットルドラム６０とは反対側の端部に連結されるようにして空気導入管６４の軸支部６４ａに取付けられ、前記エンジン回転数センサ８６は、図２で示すように、クランクシャフト１１に同軸に取付けられたパルサー８９の外周に対向して固定配置され、前記吸気温センサ８７はエアクリーナ５４に導入される空気温を検出するようにしてエアクリーナ５４に取付けられ、油温センサ８８はクランクケース２６の底部に貯留されるオイルの温度を検出するようにしてクランクケース２６に取付けられる。

前記制御手段８３は、前記運転状態検出手段８４におけるスロットル開度センサ８５およびエンジン回転数センサ８６の検出値が低回転・低負荷領域にあるとき以外は前記プラズマ発生手段６３によるプラズマ発生を回避するように前記電力供給手段８２を制御するものであり、低回転・低負荷領域にあるときの周波数が図８で示すように設定され、低回転・低負荷領域にあるときの電圧が図９で示すように設定される。しかもそのような周波数および電圧の設定値は、吸気温センサ８７および油温センサ８８で検出される吸気温および油温に応じて補正される。

さらに制御手段８３は、プラズマ発生手段６３によるプラズマ発生要求量が同一であるときには低電圧かつ高周波の電力を供給するように電力供給手段８２を制御する。

次にこの実施例の作用について説明すると、プラズマ発生手段６３には、電圧および周波数の少なくとも一方を可変として電力供給手段８２から電力が供給され、エンジンＥの運転状態を検出する運転状態検出手段８４の検出結果に応じて制御手段８３が前記電力供給手段８２から前記プラズマ発生手段６３への電力供給を制御するので、エンジンＥの運転状態に応じた適切なプラズマ発生を実現し、エンジンＥ全体のエネルギー効率を高めることができる。

また運転状態検出手段８４が、スロットル弁５８の開度を検出するスロットル開度センサ８５ならびにエンジン回転数を検出するエンジン回転数センサ８６の少なくとも一方を備えるものであり、制御手段８３は、運転状態検出手段８４による検出値が低回転・低負荷領域にあるとき以外は前記プラズマ発生手段６３によるプラズマ発生を回避するように前記電力供給手段８２を制御するものであるので、混合気のプラズマ化によって燃費の低減が期待できる低負荷・低回転領域ではプラズマを発生させて燃焼効率の向上を図るものの、低負荷・低回転領域ほど燃費の低減が期待できない高負荷・高回転領域ではプラズマを発生させないようにして、プラズマを発生させるために必要な消費電力による燃料消費量の増加が、プラズマ発生による燃費低減量を上回ることがないようにして、エンジンＥ全体のエネルギー効率を高めることができる。

さらに制御手段８３が、プラズマ発生手段によるプラズマ発生要求量が同一であるときには低電圧かつ高周波の電力を供給するように電力供給手段８２を制御するので、吸気通路５７内での不所望な着火が生じることを防止することができる。すなわちプラズマ発生量は、図７で示したように、印加電圧および周波数にほぼ比例するものであり、印加電圧を低くしても高周波数とすることで充分なプラズマを発生することができるので、電圧を極力低くして混合気が吸気通路５７内で着火しないようにすることができる。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は上記実施例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を逸脱することなく種々の設計変更を行うことが可能である。

たとえば上記実施例では自動二輪車用のエンジンＥに本発明を適用した場合について説明したが、本発明は乗用自動車用のエンジンや、発動機や発動発電機用のエンジンにも適用可能である。

本発明を適用した自動二輪車の側面図 エンジンの側面図 エンジンの要部拡大縦断側面図 図３の４−４線断面図 非プラズマ用空気およびプラズマ用空気のエンジン負荷に対する変化を示す図 図４の６−６線拡大断面図 電圧および周波数に対するオゾン発生量の関係を示す図 スロットル開度およびエンジン回転数に応じた周波数設定例を示す図 スロットル開度およびエンジン回転数に応じた電圧設定例を示す図

２５・・・エンジン本体
３６・・・燃焼室
３７・・・点火プラグ
５３・・・吸気装置
５７・・・吸気通路
５８・・・スロットル弁
５８・・・スロットル弁
６０・・・スロットルドラム
６１・・・スロットルワイヤ
６３・・・プラズマ発生手段
６４・・・空気導入管（管）
６５・・・プラズマ供給管（管）
６７・・・空気制御弁
８２・・・電力供給手段
８３・・・制御手段
８４・・・運転状態検出手段
８５・・・スロットル開度センサ
８６・・・エンジン回転数センサ
Ｅ・・・・エンジン

Claims (1)

1. 点火プラグ（３７）の先端を臨ませてエンジン本体（２５）内に形成される燃焼室（３６）に外部から空気を供給するための吸気通路（５７）と、この吸気通路（５７）を開閉するスロットル弁（５８）と、このスロットル弁（５８）を開閉駆動すべく該スロットル弁（５８）に連結されるスロットルドラム（６０）とを有する吸気装置（５３）が、前記エンジン本体（２５）に接続され、その吸気装置（５３）に、前記吸気通路（５７）を流通する空気をプラズマ化するプラズマ発生手段（６３）が付設され、前記スロットルドラム（６０）には、運転者の操作によって牽引されるスロットルワイヤ（６１）が巻き掛け、連結されるエンジンであって、
   前記プラズマ発生手段（６３）に電圧および周波数の少なくとも一方を可変として電力を供給する電力供給手段（８２）と、エンジン（Ｅ）の運転状態を検出する運転状態検出手段（８４）と、該運転状態検出手段（８４）の検出結果に応じて前記電力供給手段（８２）から前記プラズマ発生手段（６３）への電力供給を制御する制御手段（８３）とを備えるものにおいて、
   前記運転状態検出手段（８４）が、前記スロットル弁（５８）の開度を検出するスロットル開度センサ（８５）ならびにエンジン回転数を検出するエンジン回転数センサ（８６）の少なくとも一方を備え、
   前記制御手段（８３）が、前記運転状態検出手段（８４）による検出値が低回転・低負荷領域にあるとき以外は前記プラズマ発生手段（６３）によるプラズマ発生を回避するように前記電力供給手段（８２）を制御し、
   前記吸気装置（５３）は、前記スロットル弁（５８）を迂回して前記吸気通路（５７）の、スロットル弁（５８）よりも上流側及び下流側に上流端及び下流端がそれぞれ通じる、前記吸気通路（５７）よりも通路断面積が小さい管（６４，６５）と、その管（６４，６５）を開閉する空気制御弁（６７）とを更に有していて、その空気制御弁（６７）が、該空気制御弁（６７）を前記スロットル弁（５８）に連動して開閉駆動すべく前記スロットルドラム（６０）に連結され、
   前記プラズマ発生手段（６３）は、前記空気制御弁（６７）よりも下流側で前記管（６４，６５）の途中に設けられることを特徴とするエンジン。

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