JP5822707B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、自動車等に用いられる内燃機関に関するものである。

近年、内燃機関の燃費を向上させるべく気筒における圧縮比を高く設定しようとする試みが行なわれている。

このように圧縮比を高く設定された内燃機関では、高負荷の運転領域等で気筒内圧の異常な上昇によるプレイグニッション或いはスーパーノッキングという異常燃焼が起こる可能性が高くなることが知られている。これらの異常燃焼は、圧縮上死点近傍のタイミングで起こる自着火のことであり、通常のノッキングに比べて起こるタイミングが異なるため、ピストンやコンロッドに与える影響が大きく、その発生により場合によっては内燃機関自体の破損をも招来する。またこの異常燃焼は、高圧縮比の内燃機関のみならず、過給圧が高く設定された内燃機関でも起こり易いとされている。

一方、通常のノッキングに関しては、ノッキングの発生状態に応じて点火時期の遅角量を変更するなど、ノッキングを回避するための種々の技術が提案されている(例えば、特許文献１参照)。しかしながら上記の異常燃焼は通常のノッキングに比べて影響も大きいためにその発生後での対策よりも発生前での対策を講じることが求められている。

そして異常燃焼が起こる原因の一つとして、圧縮行程時にピストンリングにより掻き上げられたエンジンオイルが挙げられる。この掻き上げられたエンジンオイルの液滴が燃料室内で飛散して揮発した状態で混合気に混入することで気筒の内圧が急上昇し、混合気とともに自着火してしまうためである。

特許第２７０８８５８号公報

本発明は、上述した点に着目したものであり、気筒の内圧の急上昇を回避することにより異常燃焼の発生を有効に回避し得る内燃機関を提供することを目的としている。

本発明は、このような目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。

すなわち本発明に係る内燃機関は、ピストンに摺接するシリンダボア内表面又はその近傍においてグランドレベルよりも高い電圧の印加可能な高電圧側の電極、誘電性を示す誘電体、及び前記高電圧側の電極に対し前記誘電体を介して位置付けられたグラウンド側の電極を有し、前記高電圧側の電極に電圧を印加することによりプラズマを発生させ得る流体制御装置と、この流体制御装置に対し電圧印加の要否及び電圧値を制御する制御部とを備えたことを特徴とする。

ここで、「ピストンに摺接するシリンダボア内表面又はその近傍」とはシリンダボア及びピストンに亘る領域に限定されることは無く、シリンダボア側に近接しピストンから離間した領域であっても良い。

このようなものであれば、両電極間に電圧を印加することで、シリンダボア内面に沿ってプラズマの発生に伴う風が流れるようになる。この風により掻き上げられたエンジンオイルの液滴をシリンダボアの内表面に押し付ける作用を奏することで、エンジンオイルが燃焼室内に飛散することを防止することができる。これにより、エンジンオイルの燃焼室内の飛散に起因するスーパーノッキング等の異常燃焼の発生を有効に防ぐことができる。その結果、内燃機関が破損する可能性を有効に低減させ得るとともに、気筒の高圧縮比化を積極的に実施することによる燃費向上にも寄与し得る。

本発明によれば、異常燃焼の防止により内燃機関が破損する可能性を有効に低減させ得るとともに、気筒の高圧縮比化を積極的に実施することによる燃費向上にも寄与し得る。

本発明の一実施形態に係る正面から見た概略構成説明図。 同要部の拡大図。 同実施形態の第一変形例に係る平面から見た概略構成説明図。 同第二変形例に係る正面から見た要部の拡大図。 同第三変形例に係る平面から見た概略構成説明図。

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る内燃機関は、例えば自動車のエンジンとして好適に使用されているものである。また本実施形態に係る内燃機関は、図１及び図２に示すように一の気筒を構成するものであり、シリンダボア１と、このシリンダボア１内を図示で上下に往復摺動可能に備えられたピストン２と、このピストン２の往復動作を図示しないクランクシャフトの回転動作へと変換するためのコンロッド３とを有するものである。

ピストン２は、図１及び図２に示すように、鋳造により成形されたピストン本体２１の他、一例として２つのコンプレッションリング及びオイルリングからなるピストンリング２２と、コンロッド３に支持されるためのピストンピン２３等とを有している。そして本実施形態では、このピストン２はピストン本体２１、ピストンリング２２及びピストンピン２３の他、後述する流体制御装置Ｐを構成するための電極部材２４を有している。電極部材２４は、例えばセラミックからなる誘電体２５と、この誘電体２５に内蔵されたグラウンド側の電極２６とを有する平面視環形状をなすものである。

シリンダボア１は、ピストン２を摺動可能に支持し、上部に燃焼室を形成し得るものである。加えて本実施形態におけるシリンダボア１は、図示しない電気回路を介して、交流電圧が印加されることにより、流体制御装置Ｐを構成する高電圧側の電極としても機能する。

しかして本実施形態に係る内燃機関は、ピストン２に摺接するシリンダボア１の内表面１ａ又はその近傍においてグランドレベルよりも高い電圧の印加可能な高電圧側の電極として機能するシリンダボア１、ピストン２側に設けられた誘電性を示す誘電体２５、及びシリンダボア１に対し前記誘電体２５を介して位置付けられたグラウンド側の電極２６を有し、シリンダボア１に電圧を印加することによりプラズマｐを発生させ得る流体制御装置Ｐと、この流体制御装置Ｐに対し電圧印加の要否及び電圧値を制御する制御部たる図示しない電子制御装置とを備えたものである。

電子制御装置は通常の内燃機関に用いられるものである。すなわち、プロセッシングユニットとメモリと入力インターフェースと出力インターフェースとを具備してなるコンピュータシステムを主体に構成されている。入力インターフェースには、一般に吸気圧センサから出力される吸気圧信号、内燃機関の回転状態を検出するためのクランク角信号及び気筒判別信号、スロットルバルブの開閉状態を検出するためのアイドルスイッチから出力されるＩＤＬ信号、エンジンの冷却水温を検出するための水温センサから出力される水温信号、Ｏ2 センサから出力される電流信号等が入力される。一方、出力インターフェースからは、燃料噴射弁に対して燃料噴射信号が、またプラグに対してイグニションパルスが出力されるようになっている。

しかして本実施形態では、制御部たる電子制御装置が、高電圧側の電極として機能するシリンダボア１に対し交流電圧を印加することにより、シリンダボア１とピストン２との間、すなわちシリンダボア１の内表面１ａ付近でプラズマｐを発生させる。このプラズマｐの発生により、気筒内においてシリンダボア１の内表面１ａに沿った風ｂが生ずる。

具体的に説明すると、電子制御装置は、シリンダボア１に対し、パルス状の交流電圧を印加する。このように通常の交流電圧ではなく間欠的なパルス状の交流電圧とすることにより、電力消費を抑制しつつ必要十分のプラズマｐを発生させ得る。また印加する電圧は例えば１０〜２０ｋｖ位の電圧としているが、当該電圧に限定されることはなく、両電極間に絶縁破壊を起こすに足る電圧であればよい。また電圧は何れの運転状態であっても印加可能であるが、勿論運転状態により適宜調節する態様としても良い。そして交流電圧は、例えば適宜の周波数のパルス電圧であり、一度に印加される期間は数十μ秒程度に設定されている。

本実施形態では上記のパルス電圧を気筒が圧縮行程にあるタイミングで印加するようにしている。これにより、プラズマｐの発生とともに、電位の高低に関連して図示のようなピストン２の動作方向に沿った方向に風ｂが発生する。この一般に秒速１０ｍともいわれる高速の風ｂにより、上昇するピストンリング２２に掻き上げられたエンジンオイルはシリンダボア１内表面１ａから離れられなくなり確実に吸着した状態となる。

以上のように本実施形態に係る内燃機関では、上述の通りエンジンオイルの液滴Ｌをシリンダボア１の内表面１ａに押し付ける作用を奏することで、エンジンオイルが燃焼室内に飛散することを防止し得る。これにより、エンジンオイルの燃焼室内の飛散に起因するスーパーノッキング等の異常燃焼の発生を有効に防ぐことができる。その結果、内燃機関が破損する可能性を有効に低減させ得るとともに、気筒の高圧縮比化を積極的に実施することによる燃費向上にも寄与し得るものとなっている。

以下、本実施形態に係る各変形例について説明する。以下の各変形例において、上記実施形態の構成要素に相当するものに対しては同じ符号を付すとともに、その詳細な説明を省略する。

＜第一変形例＞
上記実施形態ではシリンダボア１及びピストン２の全周に亘って流体制御装置Ｐを設ける構成とし、主にピストン２の動作方向に沿って風ｂを発生させる態様としたが勿論、流体制御装置Ｐは周方向に間欠的に設けても良く、風ｂをピストン２の動作方向に交差する方向に起こすようにしても良い。

すなわち本変形例に係る内燃機関は、図３に示すように、両電極をシリンダボア１及びピストン２の周方向に間欠的に設けたものとしている。

具体的にはシリンダボア１は、本変形例では外側に配されたボア本体１０と、ボア本体１０の内部に設けられたライナー１１とを有している。ライナー１１は、シリンダボア１におけるピストン２に摺接し得る位置に配された管状のものであり、その主体を成す誘電体からなるライナー本体１２と、このライナー本体１２に埋め込まれた高電圧側の電極１３とを有している。

他方ピストン２は、ピストン本体２１、ピストンリング２２及びピストンピン２３の他、上端部近傍に周方向に間欠的に埋め込まれたグラウンド側の電極２６を有している。そして本変形例では、高電圧側の電極１３の一端１３ａがグラウンド側の電極２６の他端２６ａに対向するように位置付けられている。そして高電圧側の電極１３に対し、電子制御装置によって上記実施形態同様の交流電圧が適宜のタイミングで印加される。

斯かる構成により、圧縮行程において高電圧側の電極１３に交流電圧が印加されると図示のようにプラズマｐが発生するとともにシリンダボア１内表面１ａに沿ってピストン２の動作方向に交差する方向に風ｂが発生する。

このようなものであっても上記実施形態同様、エンジンオイルの液滴Ｌをシリンダボア１の内表面１ａに押し付ける作用を奏することで、エンジンオイルが燃焼室内に飛散することを防止し得る。

また本変形例では、交流電圧を吸気行程で印加することで、風ｂにより、図示の方向で起こるスワール流ＳＷをより強くさせることも可能である。これにより、乱流燃焼速度が向上しノッキングが抑制されることで、より円滑な燃焼を担保し得る。

なお、本変形例ではピストン２の周方向に略均等に流体制御装置Ｐを配置していたが、例えば反スラスト側であるなど、ピストンリング２２からの掻き上げエンジンオイルの多いと確認される箇所に集中的に配置しても良い。

＜第二変形例＞
また、上記実施形態及び第一変形例では流体制御装置Ｐをシリンダボア１及びピストン２に亘って配置する構成を適用したが、「ピストンに摺接するシリンダボア１内表面１ａ又はその近傍」とはシリンダボア１及びピストン２に亘る構成に限定されることは無い。

すなわち本変形例に係る内燃機関は、図４に示すように、シリンダボア１側の構成のみにより、流体制御装置Ｐを構成しているものである。

具体的にはシリンダボア１は、本変形例では外側に配されたボア本体１０と、ボア本体１０の内部に設けられたライナー１１とを有している。ライナー１１は、シリンダボア１におけるピストン２に摺接し得る位置に配された管状のものであり、その主体を成す誘電体からなるライナー本体１２と、このライナー本体１２に埋め込まれた高電圧側の電極１３と、この高電圧側の電極１３から所定距離離間して同じくライナー本体１２に埋め込まれたグラウンド側の電極１４とを有している。そして本変形例では、高電圧側の電極１３の一端１３ａがグラウンド側の電極１４の他端１４ａに対向するように位置付けられている。これにより、効率的なプラズマｐの発生が担保される。そして上記同様に、高電圧側の電極１３に対し、電子制御装置によって上記実施形態同様の交流電圧が適宜のタイミングで印加される。

一方ピストン２は、上記実施形態及び第一変形例とは異なり、ピストン本体２１、ピストンリング２２及びピストンピン２３等を有するものの流体制御装置Ｐ側の構成が配されていない通常のものとしている。

このようなものであっても、シリンダボア１の内表面１ａ付近でプラズマｐを発生させ、このプラズマｐにより風ｂが生ずる。これによりエンジンオイルの液滴Ｌをシリンダボア１の内表面１ａに押し付ける作用を奏し、エンジンオイルが燃焼室内に飛散することを防止し得る。

＜第三変形例＞
また勿論、上記第二変形例の如くシリンダボア１側の構成のみで流体制御装置Ｐを構成したものにおいて、上記第一変形例の如く風ｂをピストン２の動作方向に交差する方向に起こすようにすることも可能である。

すなわち図５に示すように、本変形例に係る内燃機関は、両電極をシリンダボア１及びピストン２の周方向に間欠的に設けたものとしている。

具体的にはシリンダボア１は、本変形例では外側に配されたボア本体１０と、ボア本体１０の内部に設けられたライナー１１とを有している。ライナー１１は、シリンダボア１におけるピストン２に摺接し得る位置に配された管状のものであり、その主体を成す誘電体からなるライナー本体１２と、このライナー本体１２に周方向に間欠的に埋め込まれた高電圧側の電極１３と、この高電圧側の電極１３から所定距離離間して同じくライナー本体１２に周方向に間欠的に埋め込まれたグラウンド側の電極１４とを有している。そして本変形例でも、高電圧側の電極１３の一端１３ａがグラウンド側の電極１４の他端１４ａに対向するように位置付けられている。これにより、効率的なプラズマｐの発生が担保される。そして上記同様に、高電圧側の電極１３に対し、電子制御装置によって上記実施形態同様の交流電圧が適宜のタイミングで印加される。

このようなものであっても上記実施形態及び各変形例同様、エンジンオイルの液滴Ｌをシリンダボア１の内表面１ａに押し付ける作用を奏することで、エンジンオイルが燃焼室内に飛散することを防止し得る。

また本変形例では、交流電圧を吸気行程で印加することで、風ｂにより、図示の方向で起こるスワール流ＳＷをより強くさせることも可能である。これにより、より円滑な燃焼を担保し得る。

なお、本変形例においても、ピストン２の周方向に略均等に流体制御装置Ｐを配置していたが、例えば反スラスト側であるなど、ピストンリング２２からの掻き上げエンジンオイルの多いと確認される箇所に集中的に配置しても良い。

以上、本発明の実施形態について説明したが、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、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。

例えば、上記実施形態では圧縮行程及び吸気行程にて電圧を印加する態様を開示したが、加えて、点火時期に合わせたタイミングで電圧を印加するようにしてもよい。これにより、プラズマ生成による活性種（ラジカル）が燃焼室内で増加し、より円滑な燃焼を促すことができる。また圧縮行程において電圧を印加する具体的なタイミングや電圧の高低などの具体的な態様は上記実施形態のものに限定されることはなく、既存のものを含め、種々の態様のものを適用することができる。

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。

本発明は自動車等に用いられる内燃機関として利用することができる。

１…シリンダボア、高電圧側の電極（シリンダボア）
１ａ…内表面
１２…誘電体（ライナー本体）
１３…高電圧側の電極
１４、２６…グラウンド側の電極
２…ピストン
２５…誘電体
Ｐ…流体制御装置
ｐ…プラズマ

Claims (1)

1. ピストンに摺接するシリンダボア内表面又はその近傍においてグランドレベルよりも高い電圧の印加可能な高電圧側の電極、誘電性を示す誘電体、及び前記高電圧側の電極に対し前記誘電体を介して位置付けられたグラウンド側の電極を有し、前記高電圧側の電極に電圧を印加することによりプラズマを発生させ得る流体制御装置と、
   この流体制御装置に対し電圧印加の要否及び電圧値を制御する制御部とを備えた内燃機関。

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