JP2009121271A - エンジンの吸気システム - Google Patents

Abstract

【課題】エアフロメータの測定値に影響を及ぼすおそれのある吸気管内での吸気の乱れを抑制することを課題とする。
【解決手段】スロットルバルブ３周辺の吸気管２にはプラズマ発生素子７が装着されている。プラズマ発生素子７は、誘電体１０１と絶縁層１０２とを備えている。誘電体１０１は、セラミック素材からなり、絶縁層１０２は、ポリイミドを用いたシート状素材からなる。誘電体１０１の表面側及び裏面側には誘電体１０１を挟むように一対の電極が装着されている。プラズマ発生素子１００は誘電体１０１側を流体が流れるように装着される。プラズマ発生素子に交流電圧を印加して空気流れを発生させることにより、周囲の流速との調和を図って流れの乱れを抑制する。これにより、エアフロメータ５の測定精度を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの吸気システムに関する。

エンジンの燃料噴射装置は、吸入空気量を基準として空燃比を制御することから、空気量を高精度に測定する必要がある。このため、従来、吸入空気量を高精度に測定するための装置が種々提案されている。例えば、特許文献１には、内燃機関の吸入空気量検出装置が開示されている。この吸入空気量検出装置では、以下の如く吸入空気量を検出する。まず、吸気周期Ｔの２分の１、つまりＴ／２の周期でエアフロメータの出力を２点サンプリングし、例えば点Ａおよび点Ｂにおいて、エアフロメータの出力をサンプリングする。点Ａと点Ｂとの間隔は、Ｔ／２である。そして、点Ａにおけるサンプル値ＶＡと、点Ｂにおけるサンプル値ＶＢとの平均値、すなわち（ＶＡ＋ＶＢ）／２を算出する。この平均値（ＶＡ＋ＶＢ）／２は、正確な吸入空気量を表すエアフロメータの平均出力Ｖａｖｅに等しい。そこで、（ＶＡ＋ＶＢ）／２を算出することで、正確な吸入空気量を検出するとしている。

特開２００７−１５４８４１号公報

ところで、従来の吸入空気量測定では、そのためのセンサとして、熱線式、ベーン式、またはカルマン渦式といったエアフロメータが吸気通路に設けられている。あるいは、スロットル弁の下流に吸気圧センサを設け、吸気圧と回転数との関係から吸入空気量を測定している場合もある。

ところが、吸気管内では、吸気の乱れが起こっていることがあり、この吸気の乱れはエアフロメータにおける測定値に影響を及ぼしかねない。特に、スロットルバルブが装着された箇所では、その影響を受け易い。スロットルバルブが装着された箇所では吸入空気の流路が狭まることから流れの乱れが生じ易く、エアフロメータの測定値に大きな誤差が出ることが考えられる。

そこで、本発明は、エアフロメータの測定値に影響を及ぼすおそれのある吸気管内での吸気の乱れを抑制することを課題とする。

かかる課題を解決するための、本発明の吸気システムは、スロットルバルブ周辺の吸気管に装着されたプラズマ発生素子と、当該プラズマ発生素子に電圧を印加する電源装置と、を備えたことを特徴とする（請求項１）。スロットッバルブ周辺に装着されたプラズマ発生素子に電圧を印加することによってプラズマを発生させ、このとき、電界により正イオンが吸気管内を流通する吸入空気に運動量を伝える。これにより、スロットルバルブの周囲に意図的に流れ（空気流）を創り出し、周囲の流れとの速度差を緩和して流体の剥離を抑制することができる。特にスロットルバルブの開度が小さく、低流量となるときは、スロットルバルブの縁部と吸気管の内壁との隙間が狭くなる。このような状態では、吸入空気の流れに乱れが生じ易いが、プラズマ発生素子に電圧を印加して吸気管内の吸入空気の流れを制御することにより、エアフロメータへ影響を緩和することができる。従って、エアフロメータによる空気量測定の精度を向上させることができる。プラズマ発生素子は、誘電体と絶縁層とを設け、誘電体の表裏に電極を配置したもの採用することができる。このようなプラズマ発生素子に印加する電圧は交流電圧とすることが望ましい。交流電圧とすることにより、継続的にプラズマ発生を実現することができ、吸入空気の整流に寄与することができる。

このようなエンジンの吸気システムでは、前記電源装置は、前記吸気管内を流通する空気量に応じて前記プラズマ発生素子へ供給する電圧を制御する制御部を含む構成とすることができる（請求項２）。また、前記電源供給装置は、前記吸気管内を流通する空気の流速を参照して前記プラズマ発生装置へ供給する電圧を制御する制御部を含む構成とすることができる（請求項３）。このような構成とすることでき、吸入空気の流れの乱れを効果的に抑制することができる。

さらに、前記電源装置は、バッテリと、インバータとを含む構成とすることができる（請求項４）。プラズマ発生素子に印加する電圧は交流電圧であることが望ましいが、車載されたバッテリを電源とする場合、インバータを用いて直流の電気を交流に変換してプラズマ発生素子に供給することができる。インバータにおけるスイッチングを制御することにより、所望の電圧をプラズマ発生素子に印加することができる。

吸気管内における吸入空気の流れの乱れは、スロットルバルブの周辺で起こり易い。そこで、前記プラズマ発生素子は、稼働する前記スロットルバルブの縁部と重複するように配置された構成とすることができる（請求項５）。

本発明によれば、吸気管にプラズマ発生素子を装着し、プラズマを発生させることによって吸気管内における吸入空気の流れの乱れを抑制することができるので、エアフロメータによる空気量の測定精度を向上させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例であるエンジンの吸気システム（以下、「吸気システム」という）１の概略構成を示した説明図である。吸気システム１は、吸気管２の内部に装着されたスロットルバルブ３を備えている。スロットルバルブ３の近傍にはスロットル開度センサ４が装着されている。吸気システム１は、さらに、スロットルバルブ３の下流側にバキューム式のエアフロメータ５を備えている。このスロットル開度センサ４、エアフロメータ５は本発明における制御部の機能を果たすＥＣＵ（Electronic control unit）６と電気的に接続されている。なお、エアフロメータは可動フラップ式のものや、カルマン渦式、熱線式のもの等、種々存在し、その装着位置も形式によってスロットルバルブの上流であったり、下流であったりするが、どのような形式のものであっても採用することができる。

吸気システム１は、スロットルバルブ３周辺の吸気管２に装着されたプラズマ発生素子７を備えている。このプラズマ発生素子７は、スロットルバルブ３の上下にそれぞれ装着されている。スロットルバルブ３は全開状態となると、その縁部３ａ、３ｂは図１に示した線分Ａ、線分Ｂ上に位置することとなる。すなわち、Ａ−Ｂ間がスロットルバルブ３の稼動域ということになる。プラズマ発生素子７は、このようなスロットルバルブ３の稼動域をカバーできるように稼働するスロットルバルブ３の縁部３ａ、３ｂと重複するように配置されている。プラズマ発生素子７は、吸気管２の内壁面と面一となるように埋設されている。このようなプラズマ発生素子７の構成につき、図２を参照しつつ説明する。プラズマ発生素子７は、誘電体１０１と絶縁層１０２とを備えている。誘電体１０１は、セラミック素材からなり、絶縁層１０２は、ポリイミドを用いたシート状素材からなる。誘電体１０１の表面側及び裏面側には誘電体１０１を挟むように一対の電極が装着されている。プラズマ発生素子１００は誘電体１０１側を流体が流れるように装着される。本実施例では、誘電体１０１の表面側、すなわち、プラズマ発生素子１００の表面側にプラス電極１０３を装着し、裏面側にマイナス電極１０４を装着している。プラス電極１０３は、流体の流れの上流側に位置し、マイナス電極１０４は、流体の流れの下流側に位置させている。このように電極を流体の流通方向にずらすことによってプラズマ発生に伴って発生する境界層における空気流れを流体の流れ方向と一致させることができる。なお、プラズマ発生素子７は、吸気管２内の吸入空気の振る舞いを予め解析してエアフロメータ５の吸入空気量測定に影響を及ぼす流れの乱れが観測される位置に装着することができ、その個数も問わない。また、複数個のプラズマ発生素子７を装着する場合には、個別の印加電圧制御を行うことができる。プラズマ発生素子７はその大きさが大きくなるほど強い空気流れを発生することができ、制御の範囲も広くなる。ただし、装着場所によって大きさの制約を受けることになる。本実施例では、吸気管２の内壁に装着することができる大きさとしている。

このようなプラズマ発生素子７は、インバータ８を介してバッテリ９から電気の供給を受ける。インバータ８は、ＥＣＵ６と電気的に接続されており、ＥＣＵ６は、バッテリ９から供給される直流電流を交流電流に変換し、プラズマ発生素子７に交流電圧を印加する際の制御を行う。ＥＣＵ６にはスロットル開度センサ４、エアフロメータ５の他、各種センサからの測定値が収集される。この測定値に基づいてプラズマ発生素子７への通電制御を行う。なお、バッテリ９、インバータ８、ＥＣＵ６は、本発明における電源装置を構成している。

以上のように構成される吸気システム１の制御につき、図３に示すフロー図を参照しつつ説明する。まず、ＥＣＵ６は、ステップ１１において、エアフロメータ５から吸入空気量に関するデータを取得し、スロットル開度センサ４からスロットル開度に関するデータを取得する。ＥＣＵ６は、ステップＳ１２において、この吸入空気量とスロットル開度とに基づいて、吸気管６内を流通する吸入空気の流速を算出する。なお、制御初期の段階では、吸入空気量に関するデータは、吸気管２内で生じる流れの乱れ、流れの剥離の影響を受けて正確な値を取得できないおそれがあるが、以下に述べる制御を継続することにより、精度の高い値を取得できるようになる。

次にＥＣＵ６は、ステップＳ１３において、プラズマ発生素子７に印加する電圧のスペックを決定する。具体的には、予め備えた吸入空気の流速と印加交流電圧との対応関係に関するマップを参照して印加交流電圧のスペックを決定する。制御の対象となる印加電圧の数値は、電圧値と周波数であり、それぞれ、５〜１０ｋｖの範囲、１〜１０ｋＨｚの範囲で制御される。周波数は高くなるほど、発生する空気の流れは速くなる。周波数は、インバータ８における直流から交流へのスイッチングのタイミングによって所望の値に制御することができる。ＥＣＵ６は、これらの数値を制御し、ステップＳ１４においてプラズマ発生素子７への電圧印加指令を出すことにより、吸気管２内の吸入空気の流速と調和する空気の流れを創り出し、吸入空気の剥離を回避し、流れの乱れを抑制する。この結果、エアフロメータ５における測定値の精度を向上させることができる。

ＥＣＵ６は、以上のような制御を繰り返す。このような制御が繰り返されれば、吸気管２内での流れの乱れを抑制することができるので、エアフロメータ５は精度の高い測定値を得ることができ、このようにして得られたデータを燃料噴射制御等に提供することができる。

吸気管２内での吸入空気の流れの乱れはスロットルバルブ３の開度が小さい低流量域のとき、すなわち、スロットルバルブ３の縁部３ａ、３ｂと吸気管２の内壁との間隔が狭いときに生じ易いが、本実施例では、プラズマ発生素子７をスロットルバルブ３の稼動域をカバーできるように稼働するスロットルバルブ３の縁部３ａ、３ｂと重複する構成としているので、低流量域であっても効果的に流れの乱れを抑制してエアフロメータ５における精度の高い測定を実現することができる。

次に本発明の実施例２について説明する。実施例２は、ＥＣＵ６による他の制御を説明するものである。この制御につき、図４を参照しつつ説明する。なお、吸気システム１の構成自体は、実施例１と同様であるので、各構成要素の詳細な説明は省略する。

まず、ＥＣＵ６は、ステップＳ２１において、エアフロメータ５から吸入空気量に関するデータを取得し、スロットル開度センサ４からスロットル開度に関するデータを取得する。ＥＣＵ６は、ステップＳ２２において、ステップＳ２１で取得したスロットル開度が一定であるか否かの判断を行う。例えば、アイドリング状態や、高速道路を一定速度で走行している状態はスロットル開度が一定となる。なお、スロットル開度は厳密には変動しているが、その変動範囲が微小な範囲であるときにはスロットル開度は一定であると判断するものとする。このステップＳ２２における判断でＹＥＳと判断するときはステップＳ２３へ進む。一方、ステップＳ２２でＮＯと判断するときは、処理はリターンとなる。

ステップＳ２３では、エアフロメータ５における測定値が所定範囲以上のバラツキを生じているか否かの判断を行う。エアフロメータ５における測定値のバラツキが大きいときは、エアフロメータ５による吸入空気量の測定が吸気管２内における流れの乱れの影響を受けていると考えられる。

そこで、バラツキが大きく、ステップＳ２３でＹＥＳと判断するときはステップＳ２４へ進み、ＥＣＵ６は、プラズマ発生素子７に印加する電圧のスペックを決定する。具体的には、予め備えた吸入空気量とバラツキの大きさ、印加交流電圧との対応関係に関するマップを参照して印加交流電圧のスペックを決定する。制御の対象となる印加電圧の数値は、電圧値と周波数であり、それぞれ、５〜１０ｋｖの範囲、１〜１０ｋＨｚの範囲で制御される。周波数は高くなるほど、発生する空気の流れは速くなる。周波数は、インバータ８における直流から交流へのスイッチングのタイミングによって所望の値に制御することができる。ＥＣＵ６は、これらの数値を制御し、ステップＳ２５においてプラズマ発生素子７への電圧印加指令を出すことにより、吸気管２内の吸入空気の流速と調和する空気の流れを創り出し、吸入空気の剥離を回避し、流れの乱れを抑制する。この結果、エアフロメータ５における測定値の精度を向上させることができる。なお、実施例２の制御を実施例１における制御と組み合わせて実施することもできる。

上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。例えば、プラズマ発生素子７の素材を適宜変更することができる。

実施例の吸気システムの概略構成図である。 プラズマ発生素子の構成を示す説明図である。 吸気システムにおける制御の一例を示すフロー図である。 吸気システムにおける他の制御を示すフロー図である。

符号の説明

１ 吸気システム
２ 吸気管
３ スロットルバルブ
４ スロットル開度センサ
５ エアフロメータ
６ ＥＣＵ
７ プラズマ発生素子
８ インバータ
９ バッテリ
１０１ 誘電体
１０２ 絶縁層
１０３ プラス電極
１０４ マイナス電極

Claims (5)

1. スロットルバルブ周辺の吸気管に装着されたプラズマ発生素子と、
   当該プラズマ発生素子に電圧を印加する電源装置と、
   を備えたことを特徴とするエンジンの吸気システム。
2. 請求項１記載のエンジンの吸気システムにおいて、
   前記電源装置は、前記吸気管内を流通する空気量に応じて前記プラズマ発生素子へ供給する電圧を制御する制御部を含むことを特徴としたエンジンの吸気システム。
3. 請求項１記載のエンジンの吸気システムにおいて、
   前記電源供給装置は、前記吸気管内を流通する空気の流速を参照して前記プラズマ発生装置へ供給する電圧を制御する制御部を含むことを特徴としたエンジンの吸気システム。
4. 請求項１記載のエンジンの吸気システムにおいて、
   前記電源装置は、バッテリと、インバータとを含むことを特徴としたエンジンの吸気システム。
5. 請求項１記載のエンジンの吸気システムにおいて、
   前記プラズマ発生素子は、稼働する前記スロットルバルブの縁部と重複するように配置されたことを特徴とするエンジンの吸気システム。

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