JP2018031280A - 内燃機関の燃焼支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、吸気流路に燃料を噴射する内燃機関においても、制御応答性を確保しつつ、十分な量のオゾンを生成し、燃焼状態を安定させることを目的とするものである。【解決手段】電極素子１３は、誘電体平板と、誘電体平板の第１の面に設けられている第１の金属導体と、誘電体平板の第２の面に設けられている第２の金属導体とを有している。電極素子１３は、燃料噴射弁１２から噴射される燃料のうち少なくとも一部の未蒸発燃料が直接到達する位置に、第２の面を燃料噴射弁１２に対向させて配置されている。吸気流路１ｂは、誘電体平板により第１の流路と第２の流路とに分離されている。第１の金属導体の縁の距離は、前記第２の金属導体の縁の距離よりも長い。【選択図】図１

Description

この発明は、少なくとも一部の燃料が吸気流路に噴射される内燃機関に設けられており、燃料の燃焼を支援する燃焼支援装置に関するものである。

従来のガソリンを燃料とする内燃機関では、燃焼室に導入される燃料量に適した量の空気が燃焼室に導入される。そして、燃焼室内に形成される燃料と空気との混合物に対して火花放電エネルギーが印加され、燃焼が誘発されて、そのエネルギーが動力として取り出される。

また、火花放電エネルギーを与えず、燃焼室内に形成される燃料と空気との混合物が自己着火するように温度及び圧力を制御することで、燃焼を誘発し、そのエネルギーを動力として取り出す技術も知られている。

上記の何れの燃焼形態においても、燃焼室内に形成される混合気の温度、濃度及び流動強度などの影響によって、燃焼状態が不安定化する場合がある。

燃焼状態が不安定化すると、その内燃機関を動力としている車両の走行速度が不安定になることに加えて、燃費も低下するため、燃焼状態は可能な限り安定化させることが望ましい。

燃焼状態をより安定化させる方法として、従来の内燃機関の燃焼特性改善方法では、内燃機関の吸気流路内に突き出させた２本の放電電極間に高電圧を印加することにより、電極間に放電を発生させる。そして、放電によって高温プラズマを発生させ、空気中の酸素からオゾンを生成し、混合気にオゾンを混在させている（例えば、特許文献１参照）。

また、従来のエンジンの着火制御装置では、放電電極に噴射燃料の一部を当てることで、反応性が高い活性化学種を生成する。そして、生成した活性化学種を混合気に混在させることで、混合気の着火性を向上させる（例えば、特許文献２参照）。

特開平２−１９１８５８号公報 特開２０１３−１４８０９８号公報

特許文献１に示されている従来技術では、生成されたオゾンが空気流などによって高温プラズマから遠ざからないと、プラズマの熱によってオゾンの状態が維持できずに元の酸素に戻ってしまう。

吸気行程中に生成されたオゾンは、吸気流によって速やかに高温プラズマから遠ざかるが、吸気流路に燃料を噴射するタイプの内燃機関では、吸気行程中の吸気流路の一部に燃料と空気とが混在するため、吸気流路内での燃料の発火を防止するために、電極を燃焼室から離れた吸気流路の上流部に設置する必要がある。この場合、生成されたオゾンが燃焼室に到達するまでにサイクル遅れが生じることから、制御応答性が確保できない問題がある。

また、特許文献２に示されている従来技術では、低温プラズマ放電を発生させるため、吸気流路内で燃料が発火する可能性は低く、燃焼室に近接した位置での活性化学種の生成により、制御応答性は確保できる。しかし、従来の点火プラグに近い構成の放電電極が用いられているため、低温プラズマに接して生成される活性化学種の量は必ずしも多くない。また、低温プラズマに空気中の酸素が接するとオゾンが生成されるが、その量も同様に少ない。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、吸気流路に燃料を噴射する内燃機関においても、制御応答性を確保しつつ、十分な量のオゾンを生成し、燃焼状態を安定させることができる内燃機関の燃焼支援装置を得ることを目的とする。

この発明に係る内燃機関の燃焼支援装置は、吸気流路に少なくとも一部の燃料を噴射するための燃料噴射弁が設けられている内燃機関に設けられる燃焼支援装置であって、吸気流路内に設けられ、高周波高電圧が印加される電極素子を備え、電極素子は、第１の面と、第１の面とは反対側の面である第２の面とを有しており、吸気流路の一部を、第１の面側の第１の流路と第２の面側の第２の流路とに分離する誘電体平板、第１の面に設けられている金属膜である第１の金属導体、及び第２の面に設けられている金属膜である第２の金属導体を有している。

この発明の内燃機関の燃焼支援装置は、誘電体平板と、誘電体平板の第１の面に設けられている第１の金属導体と、誘電体平板の第２の面に設けられている第２の金属導体とを有する電極素子を用い、吸気流路の一部を誘電体平板により第１の面側の第１の流路と第２の面側の第２の流路とに分離するようにしたので、吸気流路に燃料を噴射する内燃機関においても、制御応答性を確保しつつ、十分な量のオゾンを生成し、燃焼状態を安定させることができる。

この発明の実施の形態１による内燃機関の要部を示す構成図である。 図１の電極素子を示す正面図である。 図１の電極素子を示す背面図である。 図１の吸気流路に対する電極素子の配置例を示す断面図である。 この発明の実施の形態２による内燃機関の要部を示す構成図である。

以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による内燃機関の要部を示す構成図である。なお、車両などの駆動用に用いられる内燃機関は、複数の燃焼室に対してそれぞれ吸気流路が設けられているが、ここでは動作の説明を簡素化するため、１つの吸気流路のみの構成を示している。

図において、内燃機関本体１には、燃焼空間１ａと、燃焼空間１ａに繋がる吸気流路１ｂ及び排気流路１ｃとが設けられている。また、内燃機関本体１には、燃焼空間１ａに臨んで点火プラグ２が設けられている。

燃焼空間１ａには、ピストン３が設けられている。ピストン３は、コネクティングロッド４を介してクランク５に連結されている。

内燃機関本体１には、吸気流路１ｂと燃焼空間１ａとの間を開閉する吸気弁６と、排気流路１ｃと燃焼空間１ａとの間を開閉する排気弁７とが設けられている。吸気弁６は、吸気カム８の回転により開閉動作する。排気弁７は、排気カム９の回転により開閉動作する。

カム角信号プレート１０は、吸気カム８と同期して回転する。吸気カム８の回転角度は、カム角信号プレート１０に対向するカム角センサ１１により検出される。カム角センサ１１としては、例えばギャップセンサが用いられている。

内燃機関本体１には、吸気流路１ｂ内に少なくとも一部の燃料を噴射するための燃料噴射弁１２が設けられている。吸気流路１ｂ内の燃料噴射弁１２に対向する位置には、電極素子１３が設けられている。電極素子１３は、一対の電力供給導線１４ａ，１４ｂを介して電源装置１５に接続されている。吸気流路１ｂ内の電極素子１３の上流には、スロットル弁１６が設けられている。

カム角センサ１１からの信号は、エンジンコントローラ１７に入力される。エンジンコントローラ１７は、点火プラグ２、燃料噴射弁１２及び電源装置１５を制御する。

実施の形態１の内燃機関の燃焼支援装置は、電極素子１３、電力供給導線１４ａ，１４ｂ、電源装置１５及びエンジンコントローラ１７を有している。

次に、気筒ごとの吸気流路１ｂに燃料を噴射する方式の内燃機関の基本的な動作について説明する。内燃機関本体１の各気筒それぞれに設けられたピストン３は、クランク５及びコネクティングロッド４の作用により、燃焼空間１ａの容積を増減させるように往復運動する。

吸気カム８及び排気カム９は、４サイクル内燃機関では、クランク５の２回転に対して１回転の回転運動をするよう設定されている。これにより、ピストン３が２回往復運動する間の１回の燃焼空間１ａの容積が減少する行程中を主として排気弁７が開き、続く燃焼空間１ａの容積が増加する行程中を主として吸気弁６が開く。

ガソリンを燃料とする内燃機関では、多くの場合、吸気弁６が開弁動作を開始する前に、気筒ごとに設けられた燃料噴射弁１２から吸気流路１ｂ内に燃料２０が噴射される。エンジンコントローラ１７は、例えばカム角センサ１１により検出されるカム回転角度、又はクランク回転角度の情報に基づいて、燃料噴射のタイミングを抽出し、燃料噴射弁１２に噴射制御信号を発信する。

吸気弁６が閉弁中であると、噴射された燃料は吸気流路１ｂ内に滞留する。その後、吸気弁６が開弁動作を開始すると、スロットル弁１６で流量が調整された空気が吸気流路１ｂを通って燃焼空間１ａに吸入され、吸気流路１ｂ内に滞留していた燃料も燃焼空間１ａに吸入される。

燃焼空間１ａに吸入された空気及び燃料は、互いに混ざり合って均質な可燃性混合気を形成しながらピストン３により圧縮される。圧縮の後半には、エンジンコントローラ１７からの制御信号に基づいて点火プラグ２が火花放電を発生させて、圧縮された可燃性混合気を強制的に発火させる。

可燃性混合気が燃焼を始めると、燃焼空間１ａの圧力が上昇し、その圧力エネルギーがピストン３を押し戻すことで、コネクティングロッド４とクランク５とを介して回転エネルギーが機関の外部に取り出される。

燃焼した可燃性混合気は、排気弁７の開弁期間中に排気流路１ｃを通じて内燃機関の外部に放出される。

図２は図１の電極素子１３を示す正面図、図３は図１の電極素子１３を示す背面図である。電極素子１３は、誘電体平板２１、第１の金属導体２２、及び第２の金属導体２３を有している。

誘電体平板２１は、セラミックなどの誘電体により構成されている。また、誘電体平板２１の平面形状は、長辺及び短辺を有する長方形状である。さらに、誘電体平板２１は、前面である第１の面２１ａと、第１の面２１ａとは反対側の面、即ち裏面である第２の面２１ｂとを有している。

第１の金属導体２２は、第１の面２１ａに隙間なく密着している金属膜である。第１の金属導体２２は、誘電体平板２１の長手方向の一端部近傍に設けられている矩形の基端部２２ａと、基端部２２ａから誘電体平板２１の長手方向の他端部へ向けて突出している複数の直線部２２ｂとを有している。

直線部２２ｂは、誘電体平板２１の長手方向に直角な方向に互いに間隔をおいて、互いに平行に設けられている。即ち、第１の金属導体２２の平面形状は、櫛形である。

第２の金属導体２３は、第２の面２１ｂに隙間なく密着している金属膜であり、第１の金属導体２２とは接触していない。また、第２の金属導体２３の平面形状は、誘電体平板２１よりも小さい長方形状である。

このように、第１の金属導体２２の平面形状が櫛形であり、第２の金属導体２３が長方形であるため、第１の金属導体２２の縁の長さは、第２の金属導体２３の縁の長さよりも長い。

第１及び第２の金属導体２２，２３の材料としては、例えば銅、アルミニウム又は金が用いられている。また、第１及び第２の金属導体２２，２３は、例えば蒸着により、誘電体平板２１上に形成されている。

誘電体平板２１の長手方向の両端部には、第１及び第２の接続孔２１ｃ，２１ｄが設けられている。第１の面２１ａの第１の接続孔２１ｃの周縁部には、一方の電力供給導線１４ａが接続される円環状の第１の接続部２４が設けられている。第１の接続部２４は、第１の金属導体２２に電気的に接続されている。

第２の面２１ｂの第２の接続孔２１ｄの周縁部には、他方の電力供給導線１４ｂが接続される円環状の第２の接続部２５が設けられている。第２の接続部２５は、第２の金属導体２３に電気的に接続されている。

電源装置１５から高周波かつ高電圧のエネルギーが出力されると、第１の金属導体２２及び第２の金属導体２３のそれぞれの縁部分で、低温プラズマ放電が発生する。

電極素子１３は、燃料噴射弁１２から噴射される噴射燃料２０のうちの少なくとも一部の未蒸発燃料粒子が到達する位置に配置されている。電極素子１３に到達した未蒸発燃料粒子は、電極素子１３の表面に一旦付着する。

図４は図１の吸気流路１ｂに対する電極素子１３の配置例を示す断面図である。吸気流路１ｂの電極素子１３が配置されている部分は、誘電体平板２１により、第１の面２１ａ側の第１の流路１ｄと、第２の面２１ｂ側の第２の流路１ｅとに分離されている。また、電極素子１３は、縁の距離が短い第２の金属導体２３が設けられている第２の面２１ｂが燃料噴射弁１２に対向するように配置されている。

電極素子１３をこのように配置することにより、空気に含まれる酸素が、吸気行程では第１の流路１ｄを通過するのに対して、吸気行程以外では、第１の流路１ｄに滞留し、第２の金属導体２３側と比べて活発な第１の金属導体２２側の低温プラズマ放電に触れることで、より多くのオゾンが生成される。

一方、第２の流路１ｅでは、低温プラズマ放電に発生する熱と第２の金属導体２３の高い熱伝導率を利用して、第２の金属導体２３の表面に付着した未蒸発燃料の気化促進が行われ、燃焼空間１ａに導入された燃料と空気とから形成される混合気の濃度均質化が進み、燃焼効率の向上が引き出される。

ここで、電源装置１５から電極素子１３に高周波の交番電圧を印加する場合、第１の金属導体２２及び第２の金属導体２３の双方の縁で低温プラズマ放電が交互に発生する。このため、燃料噴射弁１２に対向している第２の金属導体２３の輪郭部分で発生する放電によって燃料が発火する可能性がある。

このような燃料の発火を防止するため、電源装置１５は、そのサイクルに燃料噴射弁１２から噴射された燃料が電極素子１３に到達する前に、電極素子１３への高周波の交番電圧の印加を停止する。

燃料の発火を防止する別の方法として、第２の金属導体２３の電位を常に電源装置１５の零電位に固定して、電源装置１５が第１の金属導体２２のみに半波電位を印加する方法がある。この方法によれば、電源装置１５は、そのサイクルに燃料噴射弁１２から噴射された燃料が電極素子１３に到達する前に、電極素子１３への高周波の半波電圧の印加を停止する必要がない。

このような内燃機関の燃焼支援装置では、誘電体平板２１と、誘電体平板２１の第１の面２１ａに設けられている第１の金属導体２２と、誘電体平板２１の第２の面２１ｂに設けられている第２の金属導体２３とを有する電極素子１３を用い、吸気流路１ｂの一部を誘電体平板２１により第１の流路１ｄと第２の流路１ｅとに分離するようにしたので、吸気流路１ｂに燃料２０を噴射する内燃機関においても、制御応答性を確保しつつ、十分な量のオゾンを生成し、燃焼状態を安定させることができる。

また、電極素子１３は、燃料噴射弁１２から噴射される燃料２０のうち少なくとも一部の未蒸発燃料が直接到達する位置に配置されているので、低温プラズマ放電に発生する熱と第２の金属導体２３の高い熱伝導率を利用して、第２の金属導体２３の表面に付着した未蒸発燃料の気化を促進することができる。これにより、第２の金属導体２３を冷却することもできる。

さらに、第１の金属導体２２の縁の距離が、第２の金属導体２３の縁の距離よりも長いので、第１の金属導体２２側の低温プラズマ放電によって、より多くのオゾンを生成することができる。

実施の形態２．
次に、図５はこの発明の実施の形態２による内燃機関の要部を示す構成図である。実施の形態２では、吸気流路１ｂ内の電極素子１３の上流で、スロットル弁１６の下流に、補助素子３１が設けられている。この例では、補助素子３１として、図２、３に示した電極素子１３と同様の構成の素子が用いられている。即ち、補助素子３１は、電極素子１３と同様に、誘電体平板２１、第１の金属導体２２及び第２の金属導体２３を有している。但し、補助素子３１では、第２の金属導体２３の形状を第１の金属導体２２と同じにしてもよい。

補助素子３１には、一対の補助導線３２ａ，３２ｂを介して補助素子用電源装置３３に接続されている。補助素子３１には、補助素子用電源装置３３からの高周波高電圧のエネルギーが供給される。これにより、吸気流路１ｂの電極素子１３よりも上流部分でオゾンを生成することが可能となっている。

実施の形態２の燃焼支援装置は、実施の形態１の燃焼支援装置に加えて、補助素子３１、補助導線３２ａ，３２ｂ、及び補助素子用電源装置３３を有している。他の構成及び動作は、実施の形態１と同様である。

補助素子３１によるオゾン生成は、電極素子１３によるオゾン生成の不足を補うものとして利用される。即ち、燃焼空間１ａに近接した電極素子１３では、燃焼空間１ａに供給するオゾン量の制御応答性が良いことから、補助素子３１では、定常的に必要なオゾン量を定量的に供給し、電極素子１３では、燃焼条件の変化に応じて迅速にオゾン供給量を変化させる。これにより、燃焼状態の安定化をさらに向上させることができる。

ここで、電極素子１３及び補助素子３１は、共に低温プラズマ放電に伴って素子温度が上昇する。電極素子１３では、周辺の空気流と表面に付着した未蒸発燃料の気化熱とを利用した冷却が行われるが、補助素子３１では、周辺の空気流のみによる冷却となる。従って、補助素子３１では、素子の発熱密度、即ち単位面積当たりの発熱量を電極素子１３よりも低く抑えておく必要がある。

補助素子３１の発熱密度を抑える方法として、投入エネルギー量（Ｗ）を、低温プラズマ放電を発生する金属導体の縁の合計距離（ｍ）及びエネルギー投入時間（ｓｅｃ）で除した値を評価値（Ｗ／（ｍ・ｓｅｃ））としたとき、補助素子３１に関する評価値を、電極素子１３に関する評価値よりも低くする方法がある。

なお、実施の形態１、２では、第１の金属導体２２の形状を櫛形としたが、縁の長さを長くできれば他の形状でもよく、例えば、直線部が誘電体平板の短辺に平行な櫛形、渦巻き形、又は蛇行形状であってもよい。
また、第１の金属導体の縁の長さと第２の金属導体の縁の長さとは、必ずしも異ならなくてもよい。
さらに、電極素子の位置は、必ずしも燃料噴射弁からの燃料が直接到達する位置でなくてもよい。

１ｂ 吸気流路、１２ 燃料噴射弁、１３ 電極素子、１５ 電源装置、１７ エンジンコントローラ、２１ 誘電体平板、２１ａ 第１の面、２１ｂ 第２の面、２２ 第１の金属導体、２３ 第２の金属導体、３１ 補助素子。

Claims (7)

1. 吸気流路に少なくとも一部の燃料を噴射するための燃料噴射弁が設けられている内燃機関に設けられる燃焼支援装置であって、
   前記吸気流路内に設けられ、高周波高電圧が印加される電極素子を備え、
   前記電極素子は、
   第１の面と、前記第１の面とは反対側の面である第２の面とを有しており、前記吸気流路の一部を、前記第１の面側の第１の流路と前記第２の面側の第２の流路とに分離する誘電体平板、
   前記第１の面に設けられている金属導体である第１の金属導体、及び
   前記第２の面に設けられている金属導体である第２の金属導体
   を有している内燃機関の燃焼支援装置。
2. 前記電極素子は、前記燃料噴射弁から噴射される燃料のうち少なくとも一部の未蒸発燃料が直接到達する位置に配置されている請求項１に記載の内燃機関の燃焼支援装置。
3. 前記第１の金属導体の縁の距離が、前記第２の金属導体の縁の距離よりも長い請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の燃焼支援装置。
4. 前記第２の面が前記燃料噴射弁に対向している前記請求項３記載の内燃機関の燃焼支援装置。
5. 前記第１及び第２の金属導体に高周波高電圧を印加する電源装置、及び
   前記電源装置を制御するコントローラ
   をさらに備え、
   前記コントローラは、そのサイクルに前記燃料噴射弁から噴射された燃料の少なくとも一部が前記電極素子に到達する前に高周波高電圧の印加を停止する請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の内燃機関の燃焼支援装置。
6. 前記第１及び第２の金属導体に高周波高電圧を印加する電源装置
   をさらに備え、
   前記第１及び第２の金属導体のうち、前記燃料噴射弁に対向する側の金属導体は、前記電源装置の零ボルト電位に維持され、前記燃料噴射弁に対向しない側の金属導体に対して、前記電源装置は高周波高電圧を印加する請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の内燃機関の燃焼支援装置。
7. 前記電極素子と同様に、前記誘電体平板、前記第１の金属導体及び前記第２の金属導体を有しており、前記吸気流路内の前記電極素子の上流に設けられる補助素子
   をさらに備え、
   前記補助素子に印加される高周波高電圧は、単位面積当たりの発熱量が前記電極素子よりも少なくなるように設定されている請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の内燃機関の燃焼支援装置。

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