JP6399473B2 - 燃焼室内の流動制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、燃焼室内の流動制御装置に係わり、特に、ピストン頂面の周縁部と燃焼室の天井面との間にスキッシュエリアが形成されるエンジンにおいて、上記燃焼室内における気体の流動を制御する燃焼室内の流動制御装置に関する。
従来、燃焼室内における気体の流動を制御してエンジンの燃焼改善を図ることが行われている。例えば、火花点火式エンジンにおいて、圧縮行程終期に吸気側及び排気側のスキッシュエリアからそれぞれ燃焼室天井面及びピストン冠面に沿って流れるスキッシュ流を発生させ、混合気を燃焼室中央部に集合させることで、燃料の着火性を改善する技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2013−194561号公報
ところで、エンジンの効率を向上させるためには、冷却損失を低減することが必要である。しかしながら、上記の特許文献1に記載されたエンジンのように、燃焼室天井面及びピストン冠面に沿って流れるスキッシュ流や逆スキッシュ流を発生させると、それらの流動により燃焼室内の高温ガスと燃焼室天井面及びピストン冠面との間の対流熱伝達が促進され、冷却損失が増大してしまう。
本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、ピストン頂面の周縁部と燃焼室の天井面との間にスキッシュエリアが形成されるエンジンにおいて、スキッシュ流や逆スキッシュ流による冷却損失を低減することができる、燃焼室内の流動制御装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明の燃焼室内の流動制御装置は、ピストン頂面の周縁部と燃焼室の天井面との間にスキッシュエリアが形成されるエンジンにおいて、燃焼室内における気体の流動を制御する燃焼室内の流動制御装置であって、燃焼室内に配置されたプラズマアクチュエータと、プラズマアクチュエータを制御する制御手段とを有し、プラズマアクチュエータは、燃焼室の天井面及び/又はエンジンのピストン頂面においてスキッシュエリアの範囲内に配置され、制御手段は、エンジンの圧縮行程中に燃焼室の径方向外側に向かいスキッシュ流を抑制する流動を発生させるようにプラズマアクチュエータを制御することを特徴とする
また、本発明において、好ましくは、制御手段は、エンジンの膨張行程中に燃焼室の径方向内側に向かいスキッシュ流を抑制する流動を発生させるようにプラズマアクチュエータを制御する
また、本発明において、好ましくは、プラズマアクチュエータは、燃焼室の天井面及び/又はエンジンのピストン頂面に沿って配置される誘電体と、誘電体の燃焼室側に配置される露出電極と、誘電体を挟んで露出電極の反対側に配置される埋め込み電極とを備え、埋め込み電極は、スキッシュエリアの範囲内に配置され、露出電極は、埋め込み電極よりも燃焼室の径方向内側に配置される。
また、本発明において、好ましくは、露出電極及び埋め込み電極は、平面視において燃焼室の周方向に沿って環状に配置される。
また、本発明において、好ましくは、埋め込み電極よりも燃焼室の径方向外側に配置される第2の露出電極を有する。
本発明による燃焼室内の流動制御装置によれば、ピストン頂面の周縁部と燃焼室の天井面との間にスキッシュエリアが形成されるエンジンにおいて、スキッシュ流や逆スキッシュ流による冷却損失を低減することができる。
本発明の実施形態による燃焼室内の流動制御装置が適用されたエンジンの概略構成図である。 本発明の実施形態による燃焼室内の流動制御装置に関する電気的構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態によるプラズマアクチュエータの基本構成を示す概念図である。 本発明の実施形態によるエンジンのピストン及びシリンダヘッドなどの部分断面図である。 本発明の実施形態によるエンジンのスキッシュエリア近傍の部分拡大断面図である。 本発明の実施形態によるプラズマアクチュエータの平面図であり、(a)はピストン頂面に配置されたプラズマアクチュエータをピストンの上方から見た平面図、(b)は燃焼室の天井面に配置されたプラズマアクチュエータを天井面の下方から見た平面図である。 本発明の実施形態によるエンジンのスキッシュエリア近傍の部分拡大断面図であり、(a)は圧縮行程中のプラズマアクチュエータの動作を示す図、(b)は膨張行程中のプラズマアクチュエータの動作を示す図である。 本発明の実施形態の変形例によるプラズマアクチュエータの平面図であり、(a)はピストン頂面に配置されたプラズマアクチュエータをピストン頂面の上方から見た平面図、(b)は燃焼室の天井面に配置されたプラズマアクチュエータを天井面の下方から見た平面図である。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態による燃焼室内の流動制御装置を説明する。
まず、図1及び図2により、本発明の実施形態によるエンジンの装置構成を説明する。図1は、本発明の実施形態による燃焼室内の流動制御装置が適用されたエンジンの概略構成図であり、図2は、本発明の実施形態による燃焼室内の流動制御装置に関する電気的構成を示すブロック図である。
図1において、符号1はエンジンを示す。このエンジン1は、車両に搭載されると共に、少なくともガソリンを含有する燃料が供給されるガソリンエンジンである。エンジン1は、複数の気筒2が設けられたシリンダブロック4(なお、図1では、1つの気筒2のみを図示するが、例えば4つの気筒2が直列に設けられる)と、このシリンダブロック4上に配設されたシリンダヘッド6と、シリンダブロック4の下側に配設され、潤滑油が貯留されたオイルパン8とを有している。各気筒2内には、コンロッド10を介してクランクシャフト12と連結されているピストン14が往復動可能に嵌挿されている。シリンダヘッド6と、気筒2と、ピストン14とは、燃焼室16を画定する。なお、燃焼室16の形状は、図示する形状に限定されるものではない。例えばピストン14の頂面形状、及び、燃焼室16の天井面の形状等は、適宜変更することが可能である。
シリンダヘッド6には、気筒2毎に、吸気ポート18及び排気ポート20が形成されていると共に、これら吸気ポート18及び排気ポート20には、燃焼室16側の開口を開閉する吸気弁22及び排気弁24がそれぞれ配設されている。
シリンダヘッド6にはまた、気筒2毎に、気筒2内に燃料を直接噴射するインジェクタ26(燃料噴射弁)が取り付けられている。インジェクタ26は、その噴口が燃焼室16の天井面16aの中央部分から、その燃焼室16内に臨むように配設されている。インジェクタ26は、エンジン1の運転状態に応じて設定された噴射タイミングでかつ、エンジン1の運転状態に応じた量の燃料を、燃焼室16内に直接噴射する。
シリンダヘッド6にはまた、燃焼室16内の混合気に強制点火する点火プラグ30が取り付けられている。本実施形態においては、吸気弁22と排気弁24との間に、2つの点火プラグ30が配置されている。
また、ピストン14の頂面及びシリンダヘッド6には、プラズマアクチュエータ28が配置されている。プラズマアクチュエータ28の詳細は後述する。
エンジン1は、パワートレイン・コントロール・モジュール(以下、PCMという)32によって制御される。PCM32は、CPU、メモリ、カウンタタイマ群、インターフェース及びこれらのユニットを接続するパスを有するマイクロプロセッサで構成されている。このPCM32が制御器を構成する。
PCM32には、図1、2に示すように、クランクシャフト12の回転角を検出するクランク角センサSW12の検出信号を含む各種の信号が入力される。
PCM32は、これらの検出信号に基づいて種々の演算を行うことによってエンジン1や車両の状態を判定し、これに応じてインジェクタ26、点火プラグ30、プラズマアクチュエータ28、各種の弁(スロットル弁やEGR弁等)のアクチュエータへ制御信号を出力する。こうしてPCM32は、エンジン1を運転する。詳細は後述するが、プラズマアクチュエータ28及びPCM32は、本発明における燃焼室内の流動制御装置に相当し、PCM32はプラズマアクチュエータ28を制御する制御手段として機能する。
次に、図3を参照して、本発明の実施形態によるプラズマアクチュエータ28の基本構成を説明する。図3は、本発明の実施形態によるプラズマアクチュエータ28の基本構成を示す概念図である。
図3に示すように、プラズマアクチュエータ28は、薄膜状の誘電体38と、この誘電体を挟んで配置された露出電極40及び埋め込み電極42とを備えている。露出電極40と埋め込み電極42とは、誘電体38の平面方向に沿って位置をずらして配置されている。なお、図3においては、露出電極40と埋め込み電極42とが誘電体38の法線方向において重ならないように配置されているが、露出電極40及び埋め込み電極42が部分的に重なるように配置されてもよい。これらの露出電極40及び埋め込み電極42には、交流電源44が接続されている。
交流電源44により高周波及び高電圧(例えば数kHz、数十kV程度)の交流電圧を露出電極40及び埋め込み電極42に印加すると、図3に示すように、露出電極40の端面と誘電体38との間の放電空間においてプラズマPが発生する。プラズマPは、露出電極40から埋め込み電極42に向かう体積力を生じさせ、その体積力により、誘電体38の表面に沿った気体の流動が誘起される。
プラズマPにより生じる体積力の大きさは、露出電極40及び埋め込み電極42に印加される電圧及び周波数によって制御することができる。
次に、図4乃至図6を参照して、本発明の実施形態によるプラズマアクチュエータ28について詳細に説明する。図4は、本発明の実施形態によるピストン14及びシリンダヘッド6などの部分断面図であり、図5は、本発明の実施形態によるエンジン1のスキッシュエリア近傍の部分拡大断面図である。また、図6は、本発明の実施形態によるプラズマアクチュエータ28の平面図であり、図6(a)はピストン14の頂面に配置されたプラズマアクチュエータ28をピストン14の上方から見た平面図、図6(b)は燃焼室天井面16aに配置されたプラズマアクチュエータ28を燃焼室天井面16aの下方から見た平面図である。なお、図4は、ピストン14が圧縮上死点前10°に位置するときの図を示している。
本実施形態によるエンジン1では、シリンダヘッド6側の燃焼室天井面16aが切妻型の屋根状(ペントルーフ形状)に形成された燃焼室16が適用されている。図4は、このような燃焼室16を構成するペントルーフ形状の稜線に直交する線分に沿った面で切断した、ピストン14及びシリンダヘッド6などの一部分の断面図である。
ピストン14の頂面の中央部には、下方に凹んだキャビティ34が形成されている。キャビティ34は、気筒2の軸線方向から見たときの平面形状がほぼ円形となるように形成されている。キャビティ34の中央部の真上にはインジェクタ26が配置されており、キャビティ34の凹部内に2つの点火プラグ30が配置されている。
また、ピストン14の頂面には、キャビティ34の外縁からピストン14の上面の外縁まで延び、キャビティ34の径方向外側を取り囲む周縁部36が設けられている。ピストン14の頂面の周縁部36と燃焼室天井面16aとの間には、スキッシュエリアSAが形成される。
プラズマアクチュエータ28は、ピストン頂面周縁部36と、燃焼室天井面16aにおいて周縁部36に対向する部分とに配置されている。
具体的には、図5に示すように、ピストン頂面周縁部36に配置されたプラズマアクチュエータ28については、誘電体38がピストン14の頂面に沿って配置されており、この誘電体38の上面(すなわち燃焼室16側)に露出電極40が配置され、誘電体38を挟んで露出電極40の反対側(すなわちピストン14側)に埋め込み電極42が埋め込まれている。
本実施形態においては、ピストン頂面周縁部36に3つの埋め込み電極42が埋め込まれており、それぞれの埋め込み電極42について、埋め込み電極42よりも燃焼室16の径方向内側に配置された内側露出電極40aと、埋め込み電極42よりも燃焼室16の径方向外側に配置された外側露出電極40bとが設けられている。
また、燃焼室天井面16aに配置されたプラズマアクチュエータ28については、誘電体38が燃焼室天井面16aにおいて周縁部36に対向する部分に沿って配置されており、この誘電体38の下面(すなわち燃焼室16側)に露出電極40が配置され、誘電体38を挟んで露出電極40の反対側(すなわちシリンダヘッド6側)に埋め込み電極42が埋め込まれている。
本実施形態においては、燃焼室天井面16aに2つの埋め込み電極42が埋め込まれており、それぞれの埋め込み電極42について、埋め込み電極42よりも燃焼室16の径方向内側に配置された内側露出電極40aと、埋め込み電極42よりも燃焼室16の径方向外側に配置された外側露出電極40bとが設けられている。
また、図6に示すように、露出電極40及び埋め込み電極42は、平面視において環状に配置される。
具体的には、ピストン頂面周縁部36に配置されたプラズマアクチュエータ28については、図6(a)に示すように、それぞれ円環状に形成された3組の内側露出電極40a、外側露出電極40b及び埋め込み電極42が、ピストン頂面周縁部36に同心円状に配置されている。
また、燃焼室天井面16aに配置されたプラズマアクチュエータ28については、図6(b)に示すように、それぞれ円環状に形成された2組の内側露出電極40a、外側露出電極40b及び埋め込み電極42が、燃焼室天井面16aの周縁部に同心円状に配置されている。
次に、図7を参照して、本発明の実施形態によるプラズマアクチュエータ28の動作を説明する。図7は、本発明の実施形態によるエンジン1のスキッシュエリアSA近傍の部分拡大断面図であり、図7(a)は圧縮行程中のプラズマアクチュエータ28の動作を示す図、(b)は膨張行程中のプラズマアクチュエータ28の動作を示す図である。
図7(a)に示すように、圧縮行程においては、ピストン14が上昇し燃焼室天井面16aにピストン14が接近するにしたがってスキッシュエリアSAの容積が減少すると、燃焼室天井面16a及びピストン頂面周縁部36に沿ってスキッシュエリアSAからキャビティ34に向かうスキッシュ流S(図7(a)において点線矢印により示す)が発生する。
このスキッシュ流Sが最も強くなる時期(例えば圧縮上死点前10°前後)において、PCM32は、交流電源44により高周波及び高電圧の交流電圧を内側露出電極40a及び埋め込み電極42に印加させる。これにより、内側露出電極40aの端面と誘電体38との間の放電空間においてプラズマが発生し、このプラズマが生じさせた体積力により、燃焼室天井面16a及びピストン頂面周縁部36に沿って燃焼室16の径方向外側に向かう流動が誘起される。すなわち、燃焼室天井面16a及びピストン頂面周縁部36の表面近傍において、スキッシュ流Sを打ち消す方向に流動が発生する。これにより、燃焼室天井面16a及びピストン14の頂面近傍におけるガスの流速を抑えることができ、燃焼室16内の高温ガスと燃焼室天井面16a及びピストン14の頂面との間の対流熱伝達を抑制して冷却損失を低減することができる。
また、図7(b)に示すように、膨張行程においては、ピストン14が下降し燃焼室天井面16aからピストン14が離れるにしたがってスキッシュエリアSAの容積が増大すると、燃焼室天井面16a及びピストン頂面周縁部36に沿ってキャビティ34からスキッシュエリアSAに向かう逆スキッシュ流RS(図7(b)において点線矢印により示す)が発生する。
この逆スキッシュ流RSが最も強くなる時期(例えば圧縮上死点後10°前後)において、PCM32は、交流電源44により高周波及び高電圧の交流電圧を外側露出電極40b及び埋め込み電極42に印加させる。これにより、外側露出電極40bの端面と誘電体38との間の放電空間においてプラズマが発生し、このプラズマが生じさせた体積力により、燃焼室天井面16a及びピストン頂面周縁部36に沿って燃焼室16の径方向内側に向かう流動が誘起される。すなわち、燃焼室天井面16a及びピストン頂面周縁部36の表面近傍において、逆スキッシュ流RSを打ち消す方向に流動が発生する。これにより、燃焼室天井面16a及びピストン14の頂面近傍におけるガスの流速を弱めることができ、燃焼室16内の高温ガスと燃焼室天井面16a及びピストン14の頂面との間の対流熱伝達を抑制して冷却損失を低減することができる。
次に、本発明の実施形態のさらなる変形例を説明する。
上述した実施形態においては、露出電極40及び埋め込み電極42は平面視において円環状に形成されていると説明したが、これとは異なる形状であってもよい。
例えば、図8に示すように、直線状に形成された複数の露出電極40及び埋め込み電極42を、平面視において環状に配置してもよい。図8は、本発明の実施形態の変形例によるプラズマアクチュエータ28の平面図であり、図8(a)はピストン14の頂面に配置されたプラズマアクチュエータ28をピストン14の上方から見た平面図、図8(b)は燃焼室天井面16aに配置されたプラズマアクチュエータ28を天井面16aの下方から見た平面図である。
具体的には、ピストン頂面周縁部36に配置されたプラズマアクチュエータ28については、図8(a)に示すように、それぞれ直線状に形成された3組の内側露出電極40a、外側露出電極40b及び埋め込み電極42が、燃焼室16の周方向に平行に配列されて1つのブロックを形成し、同様に形成された8つのブロックが、キャビティ34を取り囲むように、ピストン頂面周縁部36に全体として環状に配置されるようにしてもよい。
また、燃焼室天井面16aに配置されたプラズマアクチュエータ28については、図8(b)に示すように、それぞれ直線状に形成された2組の内側露出電極40a、外側露出電極40b及び埋め込み電極42が、燃焼室16の周方向に平行に配列されて1つのブロックを形成し、同様に形成された8つのブロックが、燃焼室天井面16aの周縁部に全体として環状に配置されるようにしてもよい。
また、上述した実施形態においては、プラズマアクチュエータ28が燃焼室天井面16a及びピストン頂面周縁部36に配置された場合を説明したが、プラズマアクチュエータ28が燃焼室天井面16a又はピストン頂面周縁部36の一方に配置されるようにしてもよい。
次に、上述した本発明の実施形態及び本発明の実施形態の変形例による燃焼室内の流動制御装置の効果を説明する。
まず、プラズマアクチュエータ28の埋め込み電極42は、燃焼室天井面16a及びピストン14の頂面においてスキッシュエリアSAの範囲内に配置され、内側露出電極40aは、燃焼室天井面16a及びピストン14の頂面において埋め込み電極42よりも燃焼室16の径方向内側に配置されるので、スキッシュ流Sが発生する時期に高周波及び高電圧の交流電圧を内側露出電極40a及び埋め込み電極42に印加することにより、内側露出電極40aの端面と誘電体38との間の放電空間にプラズマを発生させ、そのプラズマが生じさせる体積力により、スキッシュエリアSAの範囲内において燃焼室天井面16a及びピストン14の頂面に沿って燃焼室16の径方向外側に向かう流動を誘起することができる。このように、スキッシュ流Sを打ち消す方向に流動を発生させることにより、燃焼室天井面16a及びピストン14の頂面近傍におけるガスの流速を抑えることができ、燃焼室16内の高温ガスと燃焼室天井面16a及びピストン14の頂面との間の対流熱伝達を抑制して、スキッシュ流Sによる冷却損失を低減することができる。
また、露出電極40及び埋め込み電極42が、ピストン頂面周縁部36と燃焼室天井面16aとの間に形成されるスキッシュエリアSA全体に対応するように配置されるので、スキッシュ流Sが発生する時期に高周波及び高電圧の交流電圧を内側露出電極40a及び埋め込み電極42に印加することにより、スキッシュエリアSA全体においてスキッシュ流Sを抑制することができ、スキッシュ流Sによる冷却損失を一層効果的に低減することができる。
また、外側露出電極40bは、燃焼室天井面16a及びピストン14の頂面において埋め込み電極42よりも燃焼室16の径方向外側に配置されるので、逆スキッシュ流RSが発生する時期に高周波及び高電圧の交流電圧を外側露出電極40b及び埋め込み電極42に印加することにより、外側露出電極40bの端面と誘電体38との間の放電空間にプラズマを発生させ、そのプラズマが生じさせる体積力により、スキッシュエリアSAの範囲内において燃焼室天井面16a及びピストン14の頂面に沿って燃焼室16の径方向内側に向かう流動を誘起することができる。このように、逆スキッシュ流RSを打ち消す方向に流動を発生させることにより、燃焼室天井面16a及びピストン14の頂面近傍におけるガスの流速を抑えることができ、燃焼室16内の高温ガスと燃焼室天井面16a及びピストン14の頂面との間の対流熱伝達を抑制して、逆スキッシュ流RSによる冷却損失を低減することができる。
また、PCM32は、燃焼室天井面16a及びピストン14の頂面においてスキッシュエリアSAの範囲内に配置されたプラズマアクチュエータ28を、スキッシュ流Sが発生する圧縮行程中に燃焼室16の径方向外側に向かう流動を発生させるように制御するので、スキッシュ流Sが発生する時期においてスキッシュ流Sを打ち消す方向に流動を発生させることができ、これにより、燃焼室天井面16a及びピストン14の頂面近傍におけるガスの流速を抑えることができ、燃焼室16内の高温ガスと燃焼室天井面16a及びピストン14の頂面との間の対流熱伝達を抑制して、スキッシュ流Sによる冷却損失を低減することができる。
また、PCM32は、燃焼室天井面16a及びピストン14の頂面においてスキッシュエリアSAの範囲内に配置されたプラズマアクチュエータ28を、逆スキッシュ流RSが発生する膨張行程中に燃焼室16の径方向内側に向かう流動を発生させるように制御するので、逆スキッシュ流RSが発生する時期において逆スキッシュ流RSを打ち消す方向に流動を発生させることができ、これにより、燃焼室天井面16a及びピストン14の頂面近傍におけるガスの流速を抑えることができ、燃焼室16内の高温ガスと燃焼室天井面16a及びピストン14の頂面との間の対流熱伝達を抑制して、逆スキッシュ流RSによる冷却損失を低減することができる。
1 エンジン(エンジン本体)
14 ピストン
16 燃焼室
16a 燃焼室天井面
28 プラズマアクチュエータ
32 PCM
34 キャビティ
36 周縁部
38 誘電体
40 露出電極
40a 内側露出電極
40b 外側露出電極
42 埋め込み電極
SA スキッシュエリア

Claims (5)

  1. ピストン頂面の周縁部と燃焼室の天井面との間にスキッシュエリアが形成されるエンジンにおいて、上記燃焼室内における気体の流動を制御する燃焼室内の流動制御装置であって、
    上記燃焼室内に配置されたプラズマアクチュエータと、
    上記プラズマアクチュエータを制御する制御手段とを有し、
    上記プラズマアクチュエータは、上記燃焼室の天井面及び/又は上記エンジンのピストン頂面において上記スキッシュエリアの範囲内に配置され、
    上記制御手段は、上記エンジンの圧縮行程中に上記燃焼室の径方向外側に向かいスキッシュ流を抑制する流動を発生させるように上記プラズマアクチュエータを制御する
    ことを特徴とする燃焼室内の流動制御装置。
  2. 上記制御手段は、上記エンジンの膨張行程中に上記燃焼室の径方向内側に向かい逆スキッシュ流を抑制する流動を発生させるように上記プラズマアクチュエータを制御する、請求項に記載の燃焼室内の流動制御装置。
  3. 上記プラズマアクチュエータは、上記燃焼室の天井面及び/又は上記エンジンのピストン頂面に沿って配置される誘電体と、上記誘電体の上記燃焼室側に配置される露出電極と、上記誘電体を挟んで上記露出電極の反対側に配置される埋め込み電極とを備え、
    上記埋め込み電極は、上記スキッシュエリアの範囲内に配置され、
    上記露出電極は、上記埋め込み電極よりも上記燃焼室の径方向内側に配置される
    ことを特徴とする請求項1又は2に燃焼室内の流動制御装置。
  4. 上記露出電極及び上記埋め込み電極は、平面視において上記燃焼室の周方向に沿って環状に配置される請求項3に記載の燃焼室内の流動制御装置。
  5. 上記埋め込み電極よりも上記燃焼室の径方向外側に配置される第2の露出電極を有する、請求項3又は4に記載の燃焼室内の流動制御装置。
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