JP2008101529A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】点火プラグで点火する内燃機関の気筒内で気流の乱れを生じさせ、燃焼反応に寄与する物質を利用し、着火性能を向上し燃焼を改善する。
【解決手段】制御装置が、点火プラグ３６に対して気流の上流側に配置した活性物質を発生させる活性物質発生手段８０を駆動して発生させた適量の活性物質の分布Ｋを気流に乗せて点火プラグ３６にかかる位置まで移動させた状態で、点火プラグ３６で点火させることにより、気流の上流側と下流側とへ伝播する火炎のバランスを改善して燃焼を平均化して改善する。
【選択図】図４

Description

この発明は、燃焼を改善するための活性物質発生手段を、気筒に装着した内燃機関に関する。

一般に、内燃機関では、性能の向上を図るため、気筒内部での燃焼を改善する種々の手段が提案されている。

従来の内燃機関では、火花点火式エンジンにおいて、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を設け、エンジンの低負荷低回転側の運転領域で空燃比をリーンとするとともに、燃料噴射弁から圧縮行程で燃料を噴射することにより、点火プラグの周りに混合気を偏在させて成層燃焼を行わせることにより、燃費を改善することが行われている。

このような火花点火式エンジンでは、エンジンの成層燃焼運転時に、燃焼室内で生成されたタンブル流に対向させるように燃料噴射弁から燃料を噴射することにより、点火プラグ周りに混合気を成層化させた状態で点火するように構成する。

さらに、この火花点火式エンジンでは、排気の一部を吸気系に還流する排気還流手段と、燃圧制御手段等からなる貫徹力制御手段とを設け、エンジンの成層燃焼運転時に、燃料の噴霧貫徹力をエンジン回転数に応じて制御する。

これと共に、この火花点火式エンジンでは、排気の還流割合が多い場合に、エンジンの同一回転数で排気の還流割合が少ない場合に比べて、燃料の噴霧貫徹力を大きな値に設定する。

すなわち、この火花点火式エンジンでは、排気還流手段により吸気系に還流される排気の還流割合が多く、吸気の流動速度が増大して強いタンブル流が生成されると共に、吸気の温度が上昇して燃料噴霧の気化が促進される運転状態にある場合に、燃料の噴霧貫徹力を大きな値に設定することにより、燃料の噴霧貫徹力とタンブル流の強度とを適正にバランスさせ、気筒内部での燃焼を改善する（例えば、特許文献１参照）。

また、従来の内燃機関では、吸入空気に含まれる酸素をオゾン（活性物質）に変換して酸素を過給する状態とすることにより気筒内部での燃焼を向上するため、内燃機関の吸気系に、誘電体材料と電極を含むオゾン発生装置と、吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段とを設ける。

さらに、吸入空気量に基づきオゾン発生装置の電力を制御するオゾン発生制御手段と、吸入空気量に基づき燃料噴射手段の燃料噴射量を制御する燃料噴射制御手段とを設ける。

このように構成した内燃機関では、高出力要求のとき、アクセル開度等にしたがってオゾン発生装置にオゾンを発生させると共に、オゾンの生成率を高くする。これにより、この内燃機関では、トルクが要求される負荷領域ではオゾン生成による過給の効果でトルクを増大してエンジンの高出力化を図る（例えば、特許文献２参照）。

さらに従来の内燃機関では、気筒内部で燃料混合気に対する着火性能を向上して燃焼を改善するため、燃焼室内にシーズド型のグロー・プラグの保護金属管を第１の放電電極（接地）として設け、この電極と絶縁させた状態で対向して外側電極の無い点火プラグの中心電極を第２の放電電極として設け、グロー・プラグ内蔵のヒート・コイルにバッテリーから給電する。

これによりこの内燃機関では、保護金属管が加熱されると、金属表面から熱電子が放出され易くなり、又は金属材料が蒸発し易くなり、しかも、その放出又は蒸発がその熱電極表面全体で行われる。

よって、この内燃機関では、放電プラズマ・ビームの電極表面での発生場所を分散させ、そのビームを太くして、着火性能を向上し燃焼を改善する（例えば、特許文献３参照）。

前述したような火花点火式エンジンでは、例えば気筒の燃焼室中央部に点火プラグを配置した場合、点火プラグで燃料混合気に点火した際に生じる火炎の伝播が点火プラグを中心とした同心円状に広がることが望ましい。

しかし、気筒内において、ベース気体（燃料混合気）に対する火炎の相対速度は、ベース気体の温度、気流の乱れ、燃焼反応に寄与する物質の状態により決まる。

さらに、火炎伝播の様子は、ベース気体の温度分布の状態と気流の乱れの状態とがタンブル流等の気体の流れとの関係で変化することと、燃焼反応に寄与する物質がタンブル流等の気体の流れに乗って運ばれることで変化する。

このため、火花点火式エンジンでは、気筒内部を廻る燃料混合気のタンブル流等が燃焼時期まで残ると火炎の伝播がタンブル流等の気流の影響を受け、点火プラグで点火されてからタンブル流が流れる方向の上流側に当たる特定部分へ向かう火炎の伝播に遅れを生じる。

よって、燃焼時の気筒内部では、特定部分側に未燃ガスが遅くまで残り、自着火（ノッキング）を発生しやすくなる。
また、前述したような火花点火式エンジンでは、気筒内部にオゾン等の（活性物質）が存在すると火炎の伝播速度が向上するが、自着火を誘発し易くなる。

このため、火花点火式エンジンには、気筒内部に気流の乱れを生じさせ、燃焼反応に寄与する物質を利用し、着火性能を向上し燃焼を改善できるものが無かった。

特開２００３−１０６１８７号公報 特開２００５−１７１８１０号公報 特開平８−２３２８２４号公報

本発明は上述した点に鑑み、気筒内部に気流の乱れを生じさせ、燃焼反応に寄与する物質を利用し、着火性能を向上し燃焼を改善可能とした内燃機関を新たに提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の内燃機関は、気筒内で燃料混合気に気流を生じさせた状態として、点火プラグで点火する内燃機関において、
点火プラグに対して気流の上流側となる位置に配置した、燃焼反応の反応性が高い活性物質を発生させる活性物質発生手段と、少なくとも、活性物質発生手段と、点火プラグとを駆動制御する制御装置と、を有し、
制御装置が、活性物質発生手段を駆動して発生させた適量の活性物質の分布を気流に乗せて点火プラグにかかる位置まで移動させた状態で、点火プラグで点火させることにより、
点火プラグに対して気流の上流側へ伝播する火炎と下流側へ伝播する火炎とのバランスを改善して燃料混合気の燃焼が気筒内で平均化するように制御することを特徴とする。

上述のように構成することにより、気筒内で強い気流を保つようにして乱流を強化し火炎伝播速度を速くすることによって燃焼期間を短くし、さらに、強い気流の上流側への火炎伝播速度を付加された活性物質によって速めることにより、気筒内での燃焼が全体として点火プラグを中心とした気流の上流側と下流側とでバランスをとって平均化し、気筒内の気流の上流側に当たる気筒内の内周辺部での自着火（ノック）発生を抑制できる。
よって、内燃機関において、ＥＣＵ７が活性物質を発生させるための制御を実行する場合には、燃焼を改善し、内燃機関の燃費を向上し、出力を向上できる。

本発明の請求項２に記載の内燃機関は、気筒内で燃料混合気に気流を生じさせた状態として、点火プラグで点火する内燃機関において、
点火プラグに対して気流の上流側となる位置に配置した、燃焼反応の反応性が高い活性物質を発生させる活性物質発生手段と、点火プラグによる点火動作を制御すると共に、活性物質発生手段による活性物質の発生動作を制御する制御装置と、を有し、
制御装置が、
活性物質発生手段を駆動制御して発生させた活性物質が気筒内で気流に乗って点火プラグへ移動する期間から、気流の強さを求め、
気流の強さが火炎の伝播に影響があるか否かを判定し、
影響があると判定したときにだけ、活性物質発生手段を駆動制御して発生させた活性物質の分布が気流に乗って点火プラグから気流の上流側にかけての位置まで移動した状態で、点火プラグを点火させるように制御することを特徴とする。

上述のように構成することにより、制御装置が、気流の強さが火炎の伝播に影響があると判定して活性物質発生手段により活性物質を発生させるための制御を実行する場合には、気筒内で強い気流を保つようにして乱流を強化し火炎伝播速度を速くすることによって燃焼期間を短くし、さらに、強い気流の上流側への火炎伝播速度を付加された活性物質によって速めることにより、気筒内での燃焼が全体として点火プラグを中心とした気流の上流側と下流側とでバランスをとって平均化し、気筒内の気流の上流側に当たる気筒内の内周辺部での自着火（ノック）発生を抑制できる。
よって、内燃機関において、ＥＣＵ７が活性物質を発生させるための制御を実行する場合には、燃焼を改善し、内燃機関の燃費を向上し、出力を向上できる。
また、制御装置が、気流が弱く火炎の伝播に影響がないと判定して活性物質発生手段により活性物質を発生させない場合には、気筒内の周辺部に活性物質が存在して自着火（ノック）が発生してしまうことを抑制できる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の内燃機関において、制御装置が、気流の強さの度合いに対応するように活性物質発生手段を駆動制御して、点火プラグに対して気流の上流側へ伝播する火炎と下流側へ伝播する火炎とのバランスを改善して燃料混合気の燃焼が気筒内で平均化するように制御することを特徴とする。

上述のように構成することにより、請求項２に記載の発明の作用、効果に加えて、活性物質発生手段に、気流の強さの度合いに対応した適量の活性物質を発生させるので、気筒内での燃料混合気の燃焼をより安定して平均化し、良好に燃焼させることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の内燃機関において、制御装置が、活性物質発生手段を駆動制御して発生させた活性物質の分布が気流に乗って気筒内の周辺部から離間した状態で、点火プラグを点火させるように制御することを特徴とする。

上述のように構成することにより、請求項２に記載の発明の作用、効果に加えて、制御装置が点火の前又は点火から一定時間後に活性物質発生手段で活性物質を発生させる動作を停止することにより、気流により活性物質の分布が気筒内の周辺部から離れた状態とさせ、気筒内の周辺部に活性物質が存在しないようにして自着火することを抑制できる。

請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関において、制御装置が、タンブル比（タンブル強さ）ＴＲに関する下記の式から、活性物質発生手段で発生した活性物質が点火プラグへ到達する到達時間ｔを算出し、この算出した到達時間ｔに基づいて、活性物質発生手段と、点火プラグとを駆動制御することを特徴とする。
式１ Ｌ＝π×（Ｂ＋Ｓ）÷２、
式２ Ｎｔａ＝（６０×ｌ）÷（Ｌ×ｔ）、
式３ ＴＲ＝Ｎｔａ÷Ｎｅｎｇ
ここで、ｌは、気筒内燃焼部Ａ内での点火プラグ３６と活性物質発生手段８０との間のプラグ間距離、
ｔは、活性物質発生手段で発生した活性物質が点火プラグへ到達する到達時間、
Ｂは、シリンダのボア径、
Ｓは、ピストン３３のストローク、
Ｎｔａ（ｒｐｍ）は、タンブル回転数、
Ｎｅｎｇ（ｒｐｍ）は、エンジン回転数、
ＴＲは、タンブル比（タンブル強さ）、
Ｌは、タンブル流の周長さ、とする。

上述のように構成することにより、請求項１に記載の発明の作用、効果に加えて、ＴＲに関する式から求めたタンブル比（タンブ強さ）ＴＲの推定された値から、到達時間ｔを算出し、点火プラグの点火時期より到達時間ｔ以上前の所定タイミングで所定期間だけ活性物質発生手段を駆動制御して活性物質を発生させるようにして制御動作を簡便にできる。

本発明の内燃機関によれば、気筒内部に気流の乱れを生じさせ、燃焼反応に寄与する物質を利用し、着火性能を向上し燃焼を改善できるという効果がある。

本発明の内燃機関に関する実施の形態について、図１乃至図７により説明する。
図１は、ガソリンエンジンとして構成した内燃機関の概略構成図で、１は内燃機関である。

この内燃機関１は、燃料供給装置２と、複数の気筒３０ａ〜３０ｄ（本実施の形態では、直列４気筒）を備えた内燃機関本体３と、内燃機関本体３に接続される吸気経路５と、この内燃機関本体３に接続される排気経路６と、内燃機関１の運転を制御する制御装置であるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）７とを有する。

この内燃機関１では、燃料供給装置２により燃料タンク２２内に貯留されている燃料（例えばガソリン）を各気筒３０ａ〜３０ｄに供給する。この燃料供給装置２は、燃料噴射弁２１と、燃料タンク２２と、低圧燃料ポンプ２３と、燃料供給配管とを有する。

この燃料供給装置２では、内燃機関本体３の気筒３０ａ〜３０ｄごとに設けた吸気ポート３７に燃料噴射弁２１を配置する。そして、この燃料供給装置２では、燃料ポンプ２３により加圧された燃料を燃料噴射弁２１から吸気ポート３７内へ噴射する。この燃料噴射弁２１の燃料噴射量（内燃機関１に供給する燃料の燃料供給量）や噴射タイミング等に関する燃料噴射制御は、制御装置であるＥＣＵ７で制御する。

この内燃機関１の内燃機関本体３は、シリンダブロック３１と、このシリンダブロック３１に締結して一体化したシリンダヘッド３２と、気筒３０ａ〜３０ｄごとに設けられるピストン３３及びコンロッド３４と、クランクシャフト３５と、気筒３０ａ〜３０ｄごとに設けられる点火プラグ３６と、活性物質発生手段８０と、バルブ装置４とを有する。

この内燃機関本体３の各気筒３０ａ〜３０ｄには、それぞれピストン３３と、シリンダブロック３１と、シリンダヘッド３２とにより囲まれた気筒内燃焼部Ａが形成される。

シリンダヘッド３２には、各気筒３０ａ〜３０ｄの気筒内燃焼部Ａに対応して、吸気経路５に接続する吸気ポート３７と、排気経路６に接続する排気ポート３８とを形成する。

各気筒３０ａ〜３０ｄに装着されるピストン３３は、コンロッド３４に回転自在に支受されている。コンロッド３４は、クランクシャフト３５に回転自在に支受されている。
すなわち、内燃機関本体３は、各気筒３０ａ〜３０ｄの気筒内燃焼部Ａ内で吸入空気と燃料の混合ガスを燃焼させることによりピストン３３をシリンダブロック３１内で往復運動させ、この往復運動をクランクシャフト３５の回転運動に変換して出力するよう構成する。

また、内燃機関本体３には、クランクシャフト３５の角度であるクランク角度（ＣＡ）を検出してＥＣＵ７に出力する、機関回転数検出手段として機能するクランク角度センサ３９を配置する。なお、ＥＣＵ７は、このクランク角度センサ３９により検出されたクランク角度から内燃機関１の機関回転数の算出や各気筒３０ａ〜３０ｄにおける気筒の判別を行う。

内燃機関本体３の各気筒３０ａ〜３０ｄには、点火プラグ３６を配置する。この点火プラグ３６は、点火時期調整手段として機能するＥＣＵ７からの点火信号を受けて点火し、各気筒３０ａ〜３０ｄの気筒内燃焼部Ａ内の混合ガスを着火させる。点火プラグ３６の点火タイミング等に関わる点火動作の制御は、制御装置であるＥＣＵ７で行う。

この内燃機関本体３には、吸気バルブ４１と排気バルブ４２とに開閉動作を行わせるためのバルブ装置４を設ける。このバルブ装置４は、気筒３０ａ〜３０ｄごとに設けられる吸気バルブ４１および排気バルブ４２と、インテークカムシャフト４３と、エキゾーストカムシャフト４４と、吸気バルブタイミング機構４５とを有する。

バルブ装置４の吸気バルブ４１は、吸気ポート３７と気筒内燃焼部Ａとの間の開口部分に配置され、インテークカムシャフト４３が回転することにより開閉動作が行われるように構成する。
また、バルブ装置４の排気バルブ４２は、排気ポート３８と気筒内燃焼部Ａとの間の開口部分に配置され、エキゾーストカムシャフト４４が回転することにより開閉動作が行われるように構成する。

バルブ装置４のインテークカムシャフト４３およびエキゾーストカムシャフト４４は、タイミングチェーンを介してクランクシャフト３５に連結し、このクランクシャフト３５の回転に連動して回転するよう構成する。

バルブ装置４の吸気バルブタイミング機構４５は、インテークカムシャフト４３とクランクシャフト３５との間に配置されている。吸気バルブタイミング機構４５は、連続可変バルブタイミング機構であり、インテークカムシャフト４３の位相を連続的に変化させるものである。

なお、このバルブ装置４は、吸気バルブタイミング機構４５により、吸気バルブ４１の開閉時期を調整するが、これに限定されるものではなく、例えば排気バルブ４２の開閉時期を調整する排気バルブタイミング機構を備えても良い。

また、内燃機関本体３には、動弁機構として、運転状態に応じて吸気バルブ４１と排気バルブ４２とを最適な開閉タイミングに制御する吸気・排気可変動弁機構（ＶＶＴ：Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ−ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ）を設けても良い。

この吸気・排気可変動弁機構は、図示しないが、インテークカムシャフト４３とエキゾーストカムシャフト４４との軸端部にＶＶＴコントローラを装着し、オイルコントロールバルブからの油圧をＶＶＴコントローラの進角室及び遅角室に作用させることによりカムスプロケットに対するカムシャフトの位相を変更し、吸気バルブ４１と排気バルブ４２の開閉時期を進角または遅角に設定する。

また、バルブ装置４には、インテークカムシャフト４３の回転位置を検出してＥＣＵ７に出力するためのインテークカムポジションセンサ４６を設ける。
内燃機関本体３の各気筒３０ａ〜３０ｄには、それぞれ気筒内部での燃焼を改善するための活性物質発生手段８０を配置する。この活性物質発生手段８０は、シリンダヘッド３２における気筒内燃焼部Ａの一部を構成する燃焼室の所定位置に配置する。

この活性物質発生手段８０は、放電（グロー放電、コロナ放電等）でイオンやオゾン等の燃焼反応の反応性が高い活性物質を発生させる機能を持つ放電（グロー放電、コロナ放電等）用のプラグ装置として構成する。
例えば、活性物質発生手段８０は、シリンダヘッド３２に設けた貫通穴である取付用穴（点火プラグの取付穴と同様の構造の穴として構成できる）内に対して、ねじ等の締結構造（点火プラグと同様な締結構造に構成できる）により取り外し可能で、かつ気密を保って締結するためのプラグ本体と、その先端部に設けた放電（グロー放電、コロナ放電等）用の電極とを有する。

この内燃機関本体３の各気筒３０ａ〜３０ｄでは、図２、図４及び図６に示すように、吸気バルブ４１から気筒内燃焼部Ａ内へ吸気された燃料混合気が作るタンブル流（又はスワール流でも良い）等の気流が点火プラグ３６を通過する状態において、燃料混合気の気流における点火プラグ３６より流れ方向上流側に当たる燃焼時の気筒内燃焼部Ａで火炎の伝播に遅れを生じる特定部分近くの所定位置（ここではシリンダヘッド３２の燃焼室の外周近くの所定位置）に、活性物質発生手段８０を配置する。

なお、活性物質発生手段８０の配置位置は、点火プラグ３６と、火炎の伝播に遅れを生じる特定部分との間における、燃料混合気の気流に載せて活性物質が点火プラグ３６へかかる状態（活性物質の分布範囲の一部が点火プラグ３６の電極部分を覆う状態）を作れる所要範囲内の任意の位置に設定できる。

また、この活性物質発生手段８０は、その放電（グロー放電、コロナ放電等）用の電極の先端部がシリンダヘッド３２の燃焼室内に臨む状態（若干突出して露呈する状態）で設置する。

この活性物質発生手段８０は、一般に用いられている、いわゆるグロー・プラグ又はグロー放電又はコロナ放電用の放電プラグを用いることができる。また、活性物質発生手段８０の放電（グロー放電、コロナ放電等）用の電極の先端部は、図示しないが−電極（放電極）と＋電極（必要に応じてと誘電体）等を用いて放電（グロー放電、コロナ放電等）をしやすい構造に構成する。

この活性物質発生手段８０は、ＥＣＵ７側から活性物質の発生動作を制御するための駆動用電力が供給されて、電極の先端部から放電（グロー放電、コロナ放電等）を行い、周囲の雰囲気（燃料混合気）をイオン化したり、周囲の雰囲気中にある酸素をオゾンに変える。

内燃機関本体３の吸気経路５は、外部から空気を吸気し、この吸入された空気を内燃機関本体３の各気筒３０ａ〜３０ｄの気筒内燃焼部Ａに導入する。この吸気経路５は、エアクリーナ５１と、エアフロメータ５２と、スロットルバルブ５３と、エアクリーナ５１から各気筒３０ａ〜３０ｄの吸気ポート３７までを連通する吸気通路５４とを有する。

この吸気経路５では、エアクリーナ５１により粉塵が除去された空気を吸気通路５４および吸気ポート３７を介して、各気筒３０ａ〜３０ｄの各気筒内燃焼部Ａに導入する。この吸気経路５に設けるエアフロメータ５２は、吸入空気量検出手段であり吸気経路５から吸入され各気筒３０ａ〜３０ｄに導入される吸入空気量を検出し、ＥＣＵ７に出力する。

この吸気経路５に設ける、気筒内燃焼部Ａに供給する吸入空気量を調整制御する空気量調整手段として機能するスロットルバルブ５３は、各気筒３０ａ〜３０ｄの気筒内燃焼部Ａに導入する吸入空気量を調整する。この空気量調整手段として機能するスロットルバルブ５３は、ステッピングモータなどのアクチュエータ５３ａにより駆動されるよう構成する。この空気量調整手段として機能するスロットルバルブ５３のバルブ開度の制御、すなわちバルブ開度制御は、ＥＣＵ７がアクチュエータ５３ａによってスロットルバルブ５３のバルブ開度を調整することにより行われる。

また、内燃機関本体３に接続される排気経路６は、排気ガス浄化触媒６１と、図示しない消音装置と、各気筒３０ａ〜３０ｄの排気ポート３８から排気ガス浄化触媒６１を介して消音装置までを連通する排気通路６２と、Ａ／Ｆセンサ６３と、Ｏ₂センサ６４とを有する。

排気経路６に設けられる排気ガス浄化触媒６１は、排気通路６２を介して吸入された排気ガスに含まれる有害物質、例えば窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）を浄化するものである。排気ガス浄化触媒６１で有害物質が浄化された排気ガスは、排気通路および図示しない消音装置を通って外部に排気される。

排気経路６に設けられるＡ／Ｆセンサ６３は、排気ガスの空燃比にほぼ比例する出力特性を有する空燃比センサ（空燃比検出手段）で構成する。このＡ／Ｆセンサ６３は、排気通路６２のうち排気ガス浄化触媒６１の上流側に配置する。

このＡ／Ｆセンサ６３は、各気筒内燃焼部Ａから排気経路６に排気された排気ガスのうち、排気ガス浄化触媒６１に吸入される前の排気ガスの排気ガス空燃比を検出し、ＥＣＵ７に出力する。なお、Ａ／Ｆセンサ６３は、Ｏ₂センサで構成してもよい。

また、ＥＣＵ７は、このＡ／Ｆセンサ６３により検出された排気ガス空燃比に基づいて、吸入された空気と燃料とからなる混合ガスの空燃比、すなわち内燃機関１の空燃比を算出する。

排気経路６に設けられるＯ₂センサ６４は、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ（酸素濃度検出手段）で構成する。このＯ₂センサ６４は、排気通路６２のうち排気ガス浄化触媒６１の下流側に配置する。このＯ₂センサ６４は、各気筒内燃焼部Ａから排気経路６に排気された排気ガスのうち、排気ガス浄化触媒６１を通過した後の排気ガスの酸素濃度を検出し、ＥＣＵ７に出力する。

以上述べたように、ＥＣＵ７には、内燃機関１を制御して運転するために車両の各所に取り付けられたセンサから、各種入力信号が入力される。

このＥＣＵ７に入力される入力信号には、例えば、クランクシャフト３５に取り付けられたクランク角度センサ３９により検出されたクランク角度、エアフロメータ５２により検出された吸入空気量、レーシング検出用手段として機能するアクセル開度センサ８により検出されたアクセル開度、Ａ／Ｆセンサ６３により検出された排気ガス空燃比、Ｏ₂センサ６４により検出された酸素濃度、車両の走行速度を検出するため車輪の回転軸に設けられた車速センサ（図示せず）から出力された車速を示す信号（車速信号）、ノッキング（ノック振動）を検知するノックセンサから出力された信号などがある。

このＥＣＵ７は、内燃機関１の運転制御のため、上述した入力信号および記憶部７３に格納されている吸入空気量およびアクセル開度に基づいた燃料噴射量マップなどの各種マップに基づいて各種出力信号を出力する。

このＥＣＵ７が内燃機関１の運転制御のため出力する出力信号には、例えば、燃料噴射弁２１の燃料噴射制御を行う噴射信号、点火プラグ３６の点火制御を行う点火信号、スロットルバルブ５３のバルブ開度制御を行うバルブ開度信号などがある。

また、ＥＣＵ７は、上述した入力信号や出力信号の入出力を行う入出力部（Ｉ／Ｏ）７１と、処理部７２と、燃料噴射量マップなどの各種マップなどを格納する記憶部７３とを有する。処理部７２は、メモリおよびＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）により構成されている。

なお、記憶部７３は、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）のような読み出しのみが可能なメモリ、あるいはＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）のような読み書きが可能なメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成することができる。

次に、この内燃機関のＥＣＵ７によって、活性物質発生手段８０を利用して気筒内部での燃焼を改善するために行う、気流の強さを推定（測定）するための制御動作と、活性物質を発生させるための制御動作について図２乃至図７を参照しながら説明する。

この内燃機関では、気筒内燃焼部Ａで廻る気流（タンブル流等）が強くて火炎の伝播に影響があるか否かを判定し、影響があると判定したときに火炎の伝播を平均化させるように活性物質を発生させる。
まず、この内燃機関において、ＥＣＵ７が活性物質発生手段８０を用いて行う、気流の強さを推定するための制御動作について図２及び図３により説明する。

このＥＣＵ７による気流の強さを推定するための制御動作では、内燃機関の運転時における圧縮行程の所定タイミングで、図２に示すようにＥＣＵ７が活性物質発生手段８０を所定短時間だけ駆動する推定用の制御をして、気筒内燃焼部Ａ内の燃料混合気中に所定少量の活性物質ＴＫ（例えば、イオン）を発生させる。
すると気筒内燃焼部Ａ内では、タンブル流等の気流に乗って推定用の制御で発生した活性物質ＴＫが、活性物質発生手段８０から点火プラグ３６へ移動する。

このときＥＣＵ７は、活性物質ＴＫを含む雰囲気が点火プラグ３６の電極を覆う状態となり点火プラグ３６の電極間電圧変化が一定値以上となったことを検知することにより、活性物質発生手段８０で発生させた活性物質ＴＫが点火プラグ３６へ到達するまでの時間又はクランク角度として求められる期間（タイミング）を推定する。

そして、ＥＣＵ７は、活性物質ＴＫが活性物質発生手段８０から点火プラグ３６まで移動する時間又はクランク角度である期間に基づいて、タンブル流等の気流の強さ（速さ）を算出する。
また、活性物質発生手段８０で発生した活性物質ＴＫが点火プラグ３６へ至った状態で点火するタイミングを図るための別手段には、例えば、タンブル比（タンブル強さ）ＴＲを、下記の数式を利用して求めるものがある。

この手段では、図６に示すように、気筒内燃焼部Ａ内での点火プラグ３６と活性物質発生手段８０との間のプラグ間距離をｌとし、活性物質発生手段８０で発生した活性物質が点火プラグ３６へ到達する到達時間をｔとし、シリンダのボア径をＢとし、ピストン３３のストロークをＳとし、タンブル回転数（ｒｐｍ）をＮｔａとし、エンジン回転数をＮｅｎｇとし、タンブル流の周長さをＬとしたとき、下記の３つの式が成立するので、これらの式からタンブル比（タンブル強さ）ＴＲを求める。
式１ Ｌ＝π×（Ｂ＋Ｓ）÷２、 式２ Ｎｔａ＝（６０×ｌ）÷（Ｌ×ｔ）、 式３ ＴＲ＝Ｎｔａ÷Ｎｅｎｇ

さらに、ＥＣＵ７は、タンブル流等の速い気流が火炎の伝播に影響を及ぼすのを抑制するよう火炎の伝播を気流の上流側と下流側とでバランスをとって平均化させるように活性物質を発生させる制御を行うか否かを判断する。

このため、ＥＣＵ７は、前述の活性物質発生手段８０を所定短時間だけ駆動して行う推定用の制御をして得たタンブル比（タンブル強さ）ＴＲ（前述した別手段の数式を利用して求めたものでも良い）を、予め実験等で求めておいた所定の閾値と比較して活性物質を発生させる制御を行うか否かを決定する。

そしてＥＣＵ７が活性物質を発生させる制御を行う場合には、タンブル流等の気流の強さの度合いと内燃機関の回転数等から活性物質発生手段８０の放電量（活性物質の発生量）を算出する。

さらに、ＥＣＵ７は、活性物質を発生させるための制御において、算出した放電量に基づいて活性物質発生手段８０に駆動電力を所要時間だけ供給して適量の活性物質を発生させ、図７に示すように、発生した適量の活性物質の分布Ｋがタンブル流等の気流に乗って、先端側が点火プラグ３６にかかる位置まで移動した、気筒内燃焼部Ａ内での燃焼を平均化可能とする状態を作るように制御する。

すなわち、ＥＣＵ７は、この制御の際に、点火プラグ３６の点火時期より到達時間ｔ以上前の所定タイミングで所定期間だけ活性物質発生手段８０を駆動制御して活性物質を発生させるように制御する。

この気筒内燃焼部Ａ内では、点火プラグ３６で点火したときに、点火プラグ３６からタンブル流等の気流の上流側へ向けて広がる火炎がタンブル流等の気流に流されて伝播速度が遅くなり図７に想像線Ｆで示すようないびつな火炎の伝播状態となろうとする。

しかし、この気筒内燃焼部Ａ内での燃焼を平均化可能とする状態では、気筒内燃焼部Ａ内に活性物質の分布Ｋがあるので、点火プラグ３６から燃え広がる火炎の伝播速度が活性物質の分布Ｋの部分で早くなり、全体として点火プラグ３６を中心とした同心円状に火炎が伝播し、気筒内燃焼部Ａ内での燃焼をタンブル流等の気流の上流側と下流側とでバランスをとって平均化し、気筒内燃焼部Ａ内の気流の上流側に当たる外周部で自着火を生じることを抑制できる。

さらに、気筒内燃焼部Ａ内での燃焼を平均化可能とする状態では、ＥＣＵ７が活性物質発生手段８０に駆動電力を所要時間だけ供給し、点火の前又は点火から一定時間後に駆動電力の供給を停止することによって、燃焼圧がある程度以上に上昇した時点で、気筒内燃焼部Ａの周辺部に燃焼遅れにより残っている未燃焼ガスと活性物質とが自着火することを抑制する。

すなわち、この気筒内燃焼部Ａ内での燃焼を平均化可能とする状態では、ＥＣＵ７が点火の前又は点火から一定時間後に活性物質発生手段８０で活性物質を発生させる動作を停止することにより、タンブル流等の気流により活性物質の分布Ｋが気筒内燃焼部Ａの周辺部から離れた状態とし、気筒内燃焼部Ａの周辺部に活性物質が存在しないようにして自着火することを抑制する。

上述のように、内燃機関において、ＥＣＵ７が活性物質を発生させるための制御を実行する場合には、強いタンブル流等の気流を保つようにし気筒内燃焼部Ａ内で乱流を強化し火炎伝播速度を速くすることによって燃焼期間を短くし、さらに、強いタンブル流等の気流の上流側への火炎伝播速度を付加された活性物質によって速めることにより、気筒内燃焼部Ａ内全体で燃料混合気の燃焼バランスを平均化するよう改善し、燃焼速度を向上し、気筒内燃焼部Ａ内周辺部での自着火（ノック）発生を抑制できる。

よって、内燃機関において、ＥＣＵ７が活性物質を発生させるための制御を実行する場合には、燃焼を改善し、内燃機関の燃費を向上し、出力を向上できる。

また、この内燃機関のＥＣＵ７は、気流の強さを推定するための制御動作で算出した気流の速さでは火炎の伝播に影響を及ぼす程でないので活性物質を発生させる制御を行わないと決定した場合に、気流の強さを推定するための活性物質発生手段８０による少量の活性物質を発生させる以外に活性物質発生手段８０を駆動しない。

ＥＣＵ７が、このように制御することによって、タンブル流等の気流が弱い場合には、気筒内燃焼部Ａ内の周辺部に活性物質が存在して自着火（ノック）を発生させることを抑制できる。

また、この内燃機関のＥＣＵ７が行う気流の強さを推定するための制御動作により活性物質発生手段８０で発生した活性物質が点火プラグ３６へ到達する到達時間ｔを検知する以外の手段で、タンブル比（タンブル強さ）ＴＲを推定できる場合には、気流の強さを推定するための制御動作を省略することができる。

この場合には、他の手段で推定されたタンブル比（タンブル強さ）ＴＲの値から、到達時間ｔを算出し、点火プラグ３６の点火時期より到達時間ｔ以上前の所定タイミングで所定期間だけ活性物質発生手段８０を駆動制御して活性物質を発生させるように制御する。なお、到達時間ｔは、他の式で求め、又は実験に基づいて予め求めておいて、これを利用するようにしても良い。

次に、この内燃機関でＥＣＵ７が行う、気流の強さを推定するための制御動作の具体的手順の一例について、図３のフローチャートにより説明する。

この図３のフローチャートに示す制御では、気流の強さの推定制御が開始されると、ステップＳ１で、ＥＣＵ７が、内燃機関の吸気行程での下死点（ＢＤＣ）付近（吸気行程の終わりから圧縮行程の初めにかけての所定タイミングでも良い）で、所定短時間だけ活性物質発生手段８０に駆動電力を供給してグロー放電させることにより所定少量の活性物質を発生させ、次のステップＳ２へ進む。

ステップＳ２で、ＥＣＵ７は、活性物質発生手段８０のグロー放電開始タイミングのクランク角度ＣＡ０を記憶して、次のステップＳ３へ進む。

ステップＳ３で、ＥＣＵ７は、活性物質がタンブル流等の気流に乗って点火プラグ３６の位置まで移動したか否かを検出するため、検知した点火プラグ３６の電極間電圧変化が一定値以上であるか否かを判断する。
ＥＣＵ７が、ステップＳ３で点火プラグ３６の電極間電圧変化が一定値以下であると判断した場合には、ステップＳ４へ進む。ステップＳ４では、ＥＣＵ７が、点火プラグ３６を点火開始させるタイミングが到来したか否かを判断し、点火プラグ３６を点火させるタイミングが到来していないときに、ステップＳ３へ戻り、活性物質がタンブル流等の気流に乗って点火プラグ３６の位置へ移動するまで又は点火プラグ３６を点火させるタイミングが到来するまで、このルーチン動作を繰り返す。

そして、ステップＳ４で点火プラグ３６を点火開始させるタイミングが到来したとＥＣＵ７が判断した場合には、この気流の強さを推定するための制御を終了する。

また、ステップＳ３で、ＥＣＵ７が検知した点火プラグ３６の電極間電圧変化が一定値以上であると判断した場合には、次のステップＳ５へ進み、点火プラグ３６の電極間電圧変化が一定値以上となったタイミングのクランク角度ＣＡ１を検知し、クランク角度差（ＣＡ１−ＣＡ０）の値と、プラグ間距離ｌとに基づいて演算を行うことにより、タンブル比（タンブル強さ）ＴＲを推定し、この気流の強さを推定するための制御を終了する。

次に、この内燃機関でＥＣＵ７が行う、活性物質を発生させるための制御動作の具体的手順の一例について、図５のフローチャートにより説明する。

この図５のフローチャートに示す制御では、活性物質を発生させるための制御が開始されると、ステップＳ１１でタンブル比（タンブル強さ）ＴＲが一定の閾値以上か否かを判断し、タンブル比（タンブル強さ）ＴＲが一定の閾値以下の場合には、この活性物質を発生させるための制御を取り止めるため、この制御を終了する。

ステップＳ１１で、ＥＣＵ７が、タンブル比（タンブル強さ）ＴＲが一定の閾値以上であると判断した場合には、ステップＳ１２へ進み、活性物質発生手段８０に駆動電力を供給してグロー放電を開始し、次のステップＳ１３へ進む。

このステップＳ１３では、点火プラグ３６の点火開始のタイミングが到来するまで待機し、点火開始のタイミングが到来した時点でステップＳ１４へ進みグロー放電を停止して、この制御を終了する。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、その他種々の構成を採りうることは勿論である。また、本実施の形態では、気筒内燃焼部でタンブル流を生じる内燃機関の構成について説明したが、気筒内燃焼部でスワール流を生じる内燃機関にも、本発明を適用できることは勿論である。

本発明の実施の形態に係る内燃機関を模式的に示す概略構成図である。 本発明の実施の形態に係る内燃機関で実行する、気流の強さを推定するための制御を実行したときの状態を示す気筒内要部の概略説明図である。 本発明の実施の形態に係る内燃機関で実行する、気流の強さを推定するための制御の具体的手順を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る内燃機関で実行する、活性物質を発生させるための制御を実行したときの状態を示す気筒内要部の概略説明図である。 本発明の実施の形態に係る内燃機関で実行する、活性物質を発生させるための制御の具体的手順を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る内燃機関において、タンブル流の強さを求める式を説明するための概略説明図である。 本発明の実施の形態に係る内燃機関において、活性物質発生手段から適量の活性物質を発生させて気筒内燃焼部内での燃焼を平均化可能とした状態を説明するための概略説明図である。

符号の説明

１ 内燃機関
４ バルブ装置
７ ＥＣＵ（制御装置）
３３ ピストン
３６ 点火プラグ
３７ 吸気ポート
３９ クランク角度センサ（機関回転数検出手段）
４１ 吸気バルブ
４２ 排気バルブ
８０ 活性物質発生手段

Claims (5)

1. 気筒内で燃料混合気に気流を生じさせた状態として、点火プラグで点火する内燃機関において、
   前記点火プラグに対して気流の上流側となる位置に配置した、燃焼反応の反応性が高い活性物質を発生させる活性物質発生手段と、
   少なくとも、前記活性物質発生手段と、前記点火プラグとを駆動制御する制御装置と、を有し、
   前記制御装置が、前記活性物質発生手段を駆動して発生させた適量の活性物質の分布を気流に乗せて前記点火プラグにかかる位置まで移動させた状態で、前記点火プラグで点火させることにより、
   前記点火プラグに対して前記気流の上流側へ伝播する火炎と下流側へ伝播する火炎とのバランスを改善して前記燃料混合気の燃焼が前記気筒内で平均化するように制御することを特徴とする内燃機関。
2. 気筒内で燃料混合気に気流を生じさせた状態として、点火プラグで点火する内燃機関において、
   前記点火プラグに対して気流の上流側となる位置に配置した、燃焼反応の反応性が高い活性物質を発生させる活性物質発生手段と、
   前記点火プラグによる点火動作を制御すると共に、前記活性物質発生手段による活性物質の発生動作を制御する制御装置と、を有し、
   前記制御装置が、
   前記活性物質発生手段を駆動制御して発生させた活性物質が前記気筒内で前記気流に乗って前記点火プラグへ移動する期間から、前記気流の強さを求め、
   前記気流の強さが火炎の伝播に影響があるか否かを判定し、
   影響があると判定したときにだけ、前記活性物質発生手段を駆動制御して発生させた活性物質の分布が前記気流に乗って前記点火プラグから前記気流の上流側にかけての位置まで移動した状態で、前記点火プラグを点火させるように制御することを特徴とする内燃機関。
3. 前記制御装置が、
   前記気流の強さの度合いに対応するように前記活性物質発生手段を駆動制御して、
   前記点火プラグに対して前記気流の上流側へ伝播する火炎と下流側へ伝播する火炎とのバランスを改善して前記燃料混合気の燃焼が前記気筒内で平均化するように制御することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記制御装置が、
   前記活性物質発生手段を駆動制御して発生させた活性物質の分布が前記気流に乗って前記気筒内の周辺部から離間した状態で、前記点火プラグを点火させるように制御することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
5. 前記制御装置が、
   タンブル比（タンブル強さ）ＴＲに関する下記の式から、活性物質発生手段で発生した活性物質が点火プラグへ到達する到達時間ｔを算出し、この算出した到達時間ｔに基づいて、前記活性物質発生手段と、前記点火プラグとを駆動制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
   式１ Ｌ＝π×（Ｂ＋Ｓ）÷２、
   式２ Ｎｔａ＝（６０×ｌ）÷（Ｌ×ｔ）、
   式３ ＴＲ＝Ｎｔａ÷Ｎｅｎｇ
   ここで、ｌは、気筒内燃焼部Ａ内での点火プラグと活性物質発生手段との間のプラグ間距離、
   ｔは、活性物質発生手段で発生した活性物質が点火プラグへ到達する到達時間、
   Ｂは、シリンダのボア径、
   Ｓは、ピストンのストローク、
   Ｎｔａ（ｒｐｍ）は、タンブル回転数、
   Ｎｅｎｇ（ｒｐｍ）は、エンジン回転数、
   ＴＲは、タンブル比（タンブル強さ）、
   Ｌは、タンブル流の周長さ、
   とする。

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