JP5334751B2

JP5334751B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JP5334751B2
Application number: JP2009196044A
Authority: JP
Inventors: 允護金; 毅芹澤
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2009-08-26
Filing date: 2009-08-26
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2029-08-26
Also published as: JP2011047320A

Description

本発明は、プラズマアクチュエータを吸気ポート内に設けた内燃機関に関するものである。

近年、誘電体バリア放電を用いたプラズマアクチュエータを利用した流体制御の研究が盛んに行われている。プラズマアクチュエータは、例えば、樹脂やセラミックなどの誘電体を挟んで電極を配置し、電極間に交流電圧又はパルス電圧を印加して、誘電体の表面側の電極の近傍にプラズマを発生させる。

このようなプラズマアクチュエータは、例えば特許文献１に記載のもののように、ガスタービンの翼に取り付けられて、翼表面における気流の剥離を抑制する。同様に、気流の剥離を抑制するために用いられるプラズマアクチュエータが、特許文献２において開示されている。さらに、気流の剥離を制御するために用いられるプラズマアクチュエータとしては、特許文献３における、航空機の翼のコアンダ表面に配置されるものが知られている。

特開２００８‐２７０１１０号公報特表２００９‐５１１３６０号公報特開２００８‐２９０７１０号公報

ところで、上述したプラズマアクチュエータはそれぞれ、高圧下で高速の気流にさらされる。このため、そのような気流に引っ張られて、生成されたプラズマが流されることがある。この結果、プラズマが不安定になり、気流の制御が困難になることがある。

そこで本発明は、このような不具合を解消し、吸気ポート形状に起因する気体の剥離を抑制してプラズマアクチュエータを内燃機関の燃費の向上に貢献させることを目的としている。

すなわち、本発明の内燃機関は、物体の表面に配置される誘電体と、誘電体の表面に気体と接触可能に配置される表面電極と、表面電極に背向して誘電体の裏面側に配置される裏面電極とを備え、表面電極と裏面電極との間に高圧の交流電圧又はパルス電圧を印加することにより表面電極側にプラズマを発生させるプラズマアクチュエータであって、表面電極及び裏面電極を磁性体にて構成して発生させたプラズマと気体との間に磁場を形成してなるプラズマアクチュエータを、吸気マニホルド側から燃焼室に向かって湾曲する吸気ポート内の、内側に向かって凸状に湾曲する曲面に設けてなることを特徴とする。

このような構成によれば、高圧交流電圧又はパルス電圧の印加により発生したプラズマは、磁性体で構成した表面電極及び裏面電極により形成された磁場により、発生した場所から他の場所への移動を抑制することが可能になる。これにより、高圧下の高速流においても、気体の流れを制御することが可能になる。

表面電極及び裏面電極を構成する磁性体としては、電磁石が挙げられる。

上述のプラズマアクチュエータを、吸気ポートの曲面に埋め込むようにしてもよい。その場合、表面電極の表面を吸気ポート上流の曲面と面一にするとともに、誘電体の表面を吸気ポート下流の曲面と面一にして設置するようにする。

吸気ポート内に設置するプラズマアクチュエータの数は、複数であってもよい。すなわち、吸気ポートの形状に応じて、吸入空気の気流に剥離が考えられる位置に対応して設置するものであってよい。

このような構成によれば、吸気ポート内の気体の流れを自在に制御することで、吸気ポート形状に起因する気体の剥離を抑制することが可能になる。この結果、プラズマアクチュエータを設けることにより燃焼効率の低下を防ぎ、燃費の向上に貢献させることが可能になる。

本発明の内燃機関に採用するプラズマアクチュエータは、以上説明したような構成であり、高圧交流電圧又はパルス電圧の印加により発生したプラズマを、磁性体で構成した表面電極及び裏面電極により形成された磁場により、発生した場所から他の場所への移動を抑制することができる。これにより、高圧下の高速流においても、気体の流れを制御することができる。

本発明の内燃機関は、吸気ポート内の気体の流れを自在に制御することで、吸気ポート形状に起因する気体の剥離を抑制することができ、よって燃焼効率の低下を防ぎ、プラズマアクチュエータを燃費の向上に貢献させることができる。

本発明の実施形態の部分断面図。同実施形態の要部拡大部分断面図。同実施形態の変形例の要部拡大部分断面図。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

この実施形態の内燃機関である自動車用の例えば多気筒のエンジン１００は、例えばガソリンを燃料とする火花点火式のものである。エンジン１００は、吸気マニホルドに続く吸気ポート１を介して、吸入空気及び燃料をシリンダ２内に導入する。図１には、その一気筒の要部の構成を拡大して示している。それぞれの吸気ポート１は、吸気マニホルド側から燃焼室３に向かって湾曲する形状である。それぞれの吸気ポート１は、その内部の、内側に向かって凸状に湾曲する曲面４の、曲率的に気体の剥離が発生しやすいと思われる位置に、プラズマアクチュエータ５が設けてある。なお、図１において、６は吸気弁、７は排気ポート、８は排気弁、９はピストンである。

プラズマアクチュエータ５は、図２に示すように、吸気ポート１の表面である曲面４に配置される誘電体１０と、誘電体１０の表面に気体である吸入空気と接触可能に配置される表面電極１１と、表面電極１１に背向して誘電体１０の裏面側に配置される裏面電極１２とを備えている。プラズマアクチュエータ５は、吸気ポート１の内部の壁面に密着する形状に形成してある。なお、図２にあっては、構造を明確に把握できるように、誘電体１０、表面電極１１及び裏面電極１２の厚みを誇張して図示している。実際には、プラズマアクチュエータ５全体の厚みは、吸入空気の気流を乱さない厚さである。

誘電体１０は、例えば、アルミナ、ジルコニアあるいは窒化ケイ素などのセラミック系又はテフロン(登録商標)などのポリマー系からなり、吸入空気に対して抵抗となりにくい厚みを有している。誘電体１０は、吸気ポート１の曲面４に密着して取り付けられる。

表面電極１１及び裏面電極１２はそれぞれ、薄板状のもので、磁性体である電磁石により形成してある。表面電極１１は、誘電体１０の吸気ポート１内部に向く表面に設ける。これに対して、裏面電極１２は、誘電体１０の裏側に配置されるもので、曲面４とは電気的に絶縁した状態で吸気ポート１を形成する壁内に埋め込まれる。吸入空気の流入方向を基準にする場合に、裏面電極１２は、表面電極１１より下流側に配置されるもので、裏面電極１２の上流側縁部１２ａと表面電極１１の下流側縁部１１ａとが誘電体１０を挟んで重なり合う、言い換えればほぼ同一線上に整列するように配置する。つまり、表面電極１１の下流側の端面が、誘電体１０を介して裏面電極１２にほぼ垂直な角度で持って対向するように、表面電極１１と裏面電極１２との相対位置関係を調整する。このような表面電極１１と裏面電極１２との相対位置関係自体は、この分野で広く知られているものを用いるものであってよい。

このような構成において、エンジン１００を運転する場合に、表面電極１１と裏面電極１２との間に高圧の交流電圧又はパルス電圧を印加する。これによって、表面電極１１の下流側の誘電体６表面にプラズマ１３が発生する。印加する高圧の交流電圧又はパルス電圧については、この分野で知られている電圧及び周波数、例えば、１ｋＶ〜１０ｋＶで、１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚのものであってよい。

また、表面電極１１と裏面電極１２とに高圧の交流電圧又はパルス電圧が印加された状態で、電磁石としての表面電極１１と裏面電極１２とは、印加された高圧の交流電圧又はパルス電圧同位相で同一周波数の交番磁場を形成する。交番磁場は、表面電極１１と裏面電極１２とに垂直に発生し、発生したプラズマ１３を覆う。このように、交番磁場がプラズマ１３に作用すると、プラズマ１３内のイオンは磁場の向きに対して反対方向にスピンしながら運動し、電子は磁場の向きに対して同方向にスピンしながら運動する。この結果、プラズマ１３内でイオンと電子、さらにはラジカルなどが衝突して、プラズマ１３の発生を促進し、かつプラズマ１３は、形成された交番磁場により、発生した位置から移動することを抑制されてその位置に抑留される。

エンジン１００を運転すると、各気筒における吸気行程において、吸入空気が吸気ポート１を介してシリンダ２内に流入する。この時、プラズマアクチュエータ５において発生したプラズマ１３は、磁場により移動を抑制されるため、流入する吸入空気に効率よく作用する。その結果、プラズマアクチュエータ５が設置されている部位において、プラズマアクチュエータ５による誘導気流が生じ、誘導気流により吸入空気の気流は図２における実線の矢印ＩＦのようになり、気流の剥離が抑制される。したがって、吸入空気がシリンダ内に円滑に流れ込む。このため、吸入空気の充填効率が向上し、燃費を向上させることができる。なお、気流の剥離が生じた場合、吸入空気の気流は、図２に点線の矢印で示すように、曲面４に沿って流れることなく流れて、曲面４との間に剥離を生じるものである。

なお、上述の実施形態においては、磁性体として電磁石を採用したが、永久磁石であってもよい。

また吸気ポート１に設置するプラズマアクチュエータ５は、上述の実施形態のように一個に限られるものではなく、吸入空気の気流に、剥離が生じると推測される位置毎に設置するものであってよい。つまり、吸気ポート１の形状に応じて、吸入空気の気流の方向に、複数箇所に設置するものである。

さらには、図３に示すように、曲面１０４に埋め込むようにして、プラズマアクチュエータ５を設置するものであってよい。すなわち、表面電極１１の表面を吸気ポート上流の曲面１０４と面一にするとともに、誘電体１０の表面を吸気ポート下流の曲面１０４と面一にして設置する。上述の実施形態では、吸入空気の流入方向に対して、わずかではあるが表面電極１１の厚みが、曲面４に段差を形成するものとなり、吸入空気を乱す可能性がある。したがって、表面電極１１の表面を、曲面１０４と面一にすることで、このようなごくわずかな段差をなくして、吸入空気をより円滑にプラズマ１が抑留されている部分に導くものである。これに加えて、誘電体１０の表面を曲面１０４と段差なく連続させているので、精度よく気流の剥離を抑制する。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、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。

本願のプラズマアクチュエータの活用例として、吸気ポートを備える火花点火式エンジンやディーゼルエンジンなどの各種の内燃機関が挙げられる。また、本願の内燃機関の活用例としては、自動車が挙げられる。

１…吸気ポート
５…プラズマアクチュエータ
１０…誘電体
１１…表面電極
１２…裏面電極
１３…プラズマ

Claims

物体の表面に配置される誘電体と、誘電体の表面に気体と接触可能に配置される表面電極と、表面電極に背向して誘電体の裏面側に配置される裏面電極とを備え、表面電極と裏面電極との間に高圧の交流電圧又はパルス電圧を印加することにより表面電極側にプラズマを発生させるプラズマアクチュエータであって、表面電極及び裏面電極を磁性体にて構成して発生させたプラズマと気体との間に磁場を形成してなるプラズマアクチュエータを、
吸気マニホルド側から燃焼室に向かって湾曲する吸気ポート内の、内側に向かって凸状に湾曲する曲面に設けてなる内燃機関。
磁性体が、電磁石である請求項１記載の内燃機関。
表面電極の表面を吸気ポート上流の曲面と面一にするとともに、誘電体の表面を吸気ポート下流の曲面と面一にして設置している請求項１または２記載の内燃機関。