JP2007247571A - 内燃機関の点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より少ないエネルギーで希薄燃焼領域を拡大し燃費を大幅に向上し得る内燃機関の点火装置を提供すること。
【解決手段】内燃機関において、空気よりも誘電率の高い化合物をプラズマ化して燃焼室に噴射し得るプラズマジェットイグナイタを用いて燃焼室内の混合気を点火する装置である。プラズマジェットイグナイタが、主燃焼に用いる燃料よりも誘電率の高い化合物をプラズマ化して燃焼室に噴射し得る。高誘電率化合物が、燃料を完全酸化又は部分酸化して得られた化合物である。高誘電率化合物が、燃料をクラッキングして得られた化合物である。高誘電率化合物が、燃料とオゾンから変換された含酸素化合物である。高誘電率化合物が水や二酸化炭素である。
【選択図】なし

Description

本発明は、内燃機関の点火装置に係り、更に詳細には、希薄燃焼領域を拡大できる内燃機関の点火装置に関する。

従来から、プラズマジェットイグナイタは、副室やキャビティ内でプラズマを形成し、主燃焼室へプラズマを噴出することにより混合気を燃焼するシステムに用いられている（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−４９４３２号公報

このプラズマジェットイグナイタは、火花点火と比較して、火炎核の冷却が少ないこと、プラズマが燃焼室へ噴出するために火炎の伝播が燃焼室壁付近から開始されないため伝播距離が短縮されること、プラズマの燃焼室への噴出のため乱流が起こり火炎伝播を促進することが特徴であり、希薄燃焼領域を拡大できる。また、この他にも熱的効果により燃焼効率を促進できる。

かかるプラズマジェットイグナイタの種類は、その形状により、プラズマ種が選択可能なタイプ、雰囲気をプラズマ化するタイプ、高速プラズマを噴流するタイプなどがある。

しかし、従来のプラズマジェットイグナイタでは、プラズマ化に要するエネルギーが数ジュールと非常に高く、その結果電極が溶損するという問題点があった。

かかるプラズマ化に要するエネルギーは、プラズマ化されるガスに依存する。
このため、本発明者らは、プラズマ化される物質の誘電率が及ぼす影響に着目したところ、誘電率の高い物質をプラズマジェットイグナイタに供給することで、プラズマ化に要する供給エネルギーを低減できることを見出した。

本発明は、このような従来技術の有する課題及び新たな知見に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、より少ないエネルギーで希薄燃焼領域を拡大し燃費を大幅に向上し得る内燃機関の点火装置を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、空気よりも誘電率の高い化合物をプラズマ化して燃焼室に噴射することにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の内燃機関の点火装置は、内燃機関において、プラズマジェットイグナイタを用いて燃焼室内の混合気を点火する装置であって、上記プラズマジェットイグナイタは、空気よりも誘電率の高い化合物をプラズマ化して燃焼室に噴射し得ることを特徴とする。

また、本発明の内燃機関の点火装置の好適形態は、上記プラズマジェットイグナイタが、主燃焼に用いる燃料よりも誘電率の高い化合物をプラズマ化して燃焼室に噴射し得ることを特徴とする。

更に、本発明の内燃機関の点火装置の他の好適形態は、上記高誘電率化合物が、排気ガスを再循環させて得られた化合物であることを特徴とする。

本発明によれば、空気よりも誘電率の高い化合物をプラズマ化して燃焼室に噴射することとしたため、より少ないエネルギーで希薄燃焼領域を拡大し燃費を大幅に向上し得る。

以下、本発明の内燃機関の点火装置について詳細に説明する。なお、本特許請求の範囲及び本明細書において、「％」は特記しない限り質量百分率を表すものとする。

上述の如く、本発明の内燃機関の点火装置は、プラズマジェットイグナイタを用いて燃焼室内の混合気を点火する。
また、上記プラズマジェットイグナイタは、空気よりも誘電率の高い化合物（以下「高誘電率化合物」と称す）をプラズマ化して燃焼室に噴射し得る。

このような構成により、電極間に形成される火花点火に比べて、冷却効果が少ないこと、火炎伝播が壁面から離れた個所から開始し火炎伝播距離が短縮されること、プラズマ噴出に伴う混合気流動で燃焼が促進されること等の効果により、希薄燃焼領域が拡大する。
また、空気や誘電率の低いガスをプラズマ化するため、高い供給エネルギーが必要であった従来技術に比べて、プラズマ化に要するエネルギーが低減でき希薄燃焼が可能となる。
代表的には、空気過剰率１．８であるときは、従来のプラズマジェットイグナイタを用いた点火装置に比べて、供給エネルギーを３０％程度低減できる。

ここで、プラズマジェットイグナイタの一例を図１に示す。
図１に示すように、棒状の中心電極２の外縁には絶縁体３と接地電極４が順に覆設されている。中心電極２と接地電極４は、端部に噴射孔６を備えるキャビティ５に接している。また、接地電極４内にはプラズマ化する化合物をキャビティ５へ供給するための流路７が設けられている。
高誘電率化合物をプラズマジェットイグナイタ１のキャビティ５に供給することにより、従来よりも低いエネルギーでプラズマを発生させることができる。そして、このプラズマは、キャビティ５からローレンツ力により燃焼室内へ噴射される。燃焼室内ではプラズマから混合気の連鎖反応が開始され、火炎伝播が進行して燃焼室全体の混合気が燃焼する。

本発明の内燃機関の点火装置においては、上記高誘電率化合物は、主燃焼に用いる燃料よりも誘電率の高い化合物であることが好適である。
このときは、プラズマ化に要するエネルギーをより低減でき希薄燃焼が可能となる。

なお、上記高誘電率化合物は、含酸素化合物であることが望ましい。特にアルコール類は誘電率が高いので、プラズマ化に要するエネルギーがより低減できる。更に、燃焼が促進されるため、電極や噴射孔付近のくすぶりを大幅に抑制することが可能となる。
例えば、空気の誘電率１に対して、メタノール、エタノール、プロパールの誘電率はそれぞれ３３、２４．３、２０．１である。

また、上記高誘電率化合物は、触媒を用いて燃料を改質したものが利用できる他、外部から供給して利用してもよい。

例えば、触媒を用いた部分酸化反応より高誘電率化合物を得ることができる。
具体的には、図２に示すように、燃料タンク１０とプラズマジェットイグナイタ１との間に触媒８を配設し、この触媒８を加熱するための加熱器９を配設することができる。加熱器９には加温器や排ガスの排熱を利用することができる。
触媒を用いて燃料の部分酸化反応を行うことにより、空気又は主燃料よりも誘電率の高い含酸素化合物に変換することができる。この結果、キャビティ内でプラズマ化する際に必要な供給エネルギーを低減することができる。
部分酸化反応用触媒には、例えば、遷移金属酸化物をアルミナやシリカ等の耐火性無機酸化物に担持したものが使用できる。

また、完全酸化反応により燃料を水や二酸化炭素に変換することができる。
具体的には、図２に示す装置において、触媒８として、白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）をアルミナやシリカ等の耐火性無機酸化物に担持したものが使用できる。燃料の一部を完全に酸化することで水、二酸化炭素のいずれか一方又は双方を生成することが可能であり、高誘電率化合物としてキャビティ５に供給することができる。
水や二酸化炭素は非常に誘電率が高いので、プラズマ化に必要なエネルギーが大幅に低減できる。特に水の誘電率は８０と高いためプラズマ化には非常に効果的である。

更に、クラッキング反応により主燃料よりも炭素数の少ない化合物に変換することで、高誘電率化合物を得ることができる。
具体的には、図２に示す装置において、触媒８として、シリカ−アルミナ、ゼオライトなどを使用できる。
炭素数の減少に従って誘電率が向上し得る。例えば、ガソリンの主成分であるＣ８化合物を、Ｃ５以下の化合物であるベンゼンやヘキセンに変換することで、誘電率はそれぞれ２．２８、２．０２まで向上し得る。

更にまた、触媒反応以外の方法で燃料を誘電率の高い物質へ変換する方法として、オゾンを利用して、高誘電率化合物を得ることができる。
具体的には、図３に示すように、燃料タンク１０とプラズマジェットイグナイタ１との間にオゾン発生器１１を配設することができる。
空気中の酸素をオゾン発生器１１によりオゾンに変換した後、燃料配管中で燃料に供給し、バブリングすることにより反応を進行させて含酸素化合物を生成することができる。

また、排気ガスの一部をキャビティー内に再循環（ＥＧＲ）させて、高誘電率化合物を得ることができる。
具体的には、図４に示すように、燃焼室の排気流路とプラズマジェットイグナイタ１とを接続し、ＥＧＲコントロールバルブ１２、ＥＧＲバルブ１３を配設することができる。ＥＧＲにより吸気側に排気ガスを供給することができる。また、バルブタイミングを制御して排気行程で燃焼室に循環させることで、水や二酸化炭素をキャビティ５に供給することができる。
水や二酸化炭素は非常に誘電率が高いので、プラズマ化に必要なエネルギーが大幅に低減できる。排気ガス中には、約１０％の水が存在しているので、排気ガスの一部をキャビティに循環することが有効である。

更に、上述のように燃料改質や排気ガスの一部をキャビティに供給する方法以外に、上記高誘電率化合物を内燃機関の外部から供給することもできる。
具体的には、図５に示すように、プラズマジェットイグナイタ１の外部に貯蔵タンク１４を配設することができる。これにより、主燃焼に用いる燃料性状、排気ガス組成に関係なく、所望の高誘電率化合物をキャビティに供給できる。

なお、本発明の内燃機関の点火装置においては、上記高誘電率化合物は、拡散状態でプラズマジェットイグナイタに供給することが好適である。
このときは、液体燃料が微細化されたミスト状態で分布することにより、更にプラズマ化に必要な供給エネルギーが低減できる。

プラズマジェットイグナイタの構成を示す概略図である。 触媒を用いた内燃機関の点火装置の一例を示す概略図である。 オゾン発生器を用いた内燃機関の点火装置の一例を示す概略図である。 ＥＧＲを用いた内燃機関の点火装置の一例を示す概略図である。 貯蔵タンクを用いた内燃機関の点火装置の一例を示す概略図である。

符号の説明

１ プラズマジェットイグナイタ
２ 中心電極
３ 絶縁体
４ 接地電極
５ キャビティ
６ 噴射孔
７ 流路
８ 触媒
９ 加熱器
１０ 燃料タンク
１１ オゾン発生器
１２ ＥＧＲコントロールバルブ
１３ ＥＧＲバルブ
１４ 貯蔵タンク

Claims (9)

1. 内燃機関において、プラズマジェットイグナイタを用いて燃焼室内の混合気を点火する装置であって、
   上記プラズマジェットイグナイタは、空気よりも誘電率の高い化合物をプラズマ化して燃焼室に噴射し得ることを特徴とする内燃機関の点火装置。
2. 上記プラズマジェットイグナイタが、主燃焼に用いる燃料よりも誘電率の高い化合物をプラズマ化して燃焼室に噴射し得ることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の点火装置。
3. 上記高誘電率化合物が、燃料を完全酸化又は部分酸化して得られた化合物であることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の点火装置。
4. 上記高誘電率化合物が、燃料をクラッキングして得られた化合物であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の内燃機関の点火装置。
5. 上記高誘電率化合物が、燃料とオゾンから変換された含酸素化合物であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の内燃機関の点火装置。
6. 上記高誘電率化合物が、水及び／又は二酸化炭素であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の内燃機関の点火装置。
7. 上記高誘電率化合物が、排気ガスを再循環させて得られた化合物であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の内燃機関の点火装置。
8. 上記高誘電率化合物が、内燃機関の外部から供給されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の内燃機関の点火装置。
9. 上記高誘電率化合物が、拡散状態でプラズマジェットイグナイタに供給されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の内燃機関の点火装置。

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