JP2008002408A - リーンバーンエンジンの着火支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 リーンバーンエンジンの着火装置において、着火位置に燃料を濃縮して燃料を燃焼させることで、内燃機関のリーン限界を改善し燃費の向上および排出ＮＯｘの抑制に寄与する。
【解決手段】 シリンダ１内に燃料リッチな領域を形成して着火性能を向上させる着火支援装置であって、着火位置を中心として対称となる位置に１組の磁石を配し、着火位置の周囲に強磁場を形成して燃料中のイオン成分をトラッピングし、着火位置の周囲に燃料を濃縮する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、希薄混合気を燃料とするリーンバーンエンジンの着火性能を向上させる着火支援装置に関する。

ガス燃焼エンジンにおいては、燃費の向上とＮＯｘ発生量の抑制のために、混合気の燃料混合比率を低下させ、燃料ガスをより希薄にして豊富な空気の中で燃焼させる要求がある。しかし、希薄混合気は着火性が悪く、失火や異常燃焼が起こるため、燃料の希薄化に限度があった。

そこで、ピストンヘッドや燃料の導入方向等を工夫してエンジンシリンダ内に局所的に混合気の濃度が高い部分を作り、燃料がリッチな部位に点火をすることで、リーンバーンエンジンの利点を保持しながら着火性能を確保する技術が検討されている。

たとえば特許文献１には、図５に示すような燃焼制御装置が開示されている。第１吸気ポートは終端部がシリンダの周方向に開口しており、第１吸気ポートからシリンダ内に流入した混合気がシリンダ周方向の横渦すなわちスワールを形成するように配置されている。第１吸気ポートの上流には燃料噴射弁が設けられていて、第１吸気ポートに導入される空気に燃料ガスを添加している。

第１吸気ポートからシリンダ内に流入した混合気は、シリンダ上部で強いスワールを形成し、環状に燃料リッチな領域を形成する。本開示発明では、この燃料リッチな部位に着火することでリーンバーン時の着火性能を確保している。

このように、特許文献１に記載された開示発明では、吸気ポートの形状や開口方向を工夫してより燃料濃度が濃い領域を形成し、かかる領域に点火エネルギーを印加することでリーンバーン時の点火性能を確保している。

しかし、本開示発明では、リーンバーン時の最大の燃料濃度が第１吸気ポートからシリンダ内に導入される予混合気の燃料濃度に制限されるため、燃料の希薄化に限界があった。
特開平０５−３０２５６１号公報

本発明が解決しようとする課題は、リーンバーンエンジンの着火装置において、着火位置に燃料を濃縮して燃料を燃焼させることで、内燃機関のリーン限界を改善し燃費の向上および排出ＮＯｘの抑制に寄与することである。

上記課題を解決するため、本発明のリーンバーンエンジンの着火支援装置はは、１組の磁場形成装置を備え、磁場形成装置がリーンバーンエンジンの着火位置に強磁場を形成して燃料内のイオン化成分を凝集させ、燃料を濃縮することを特徴とする。

希薄混合気に含まれる燃料は、燃料噴射口から吸気ポートを流通する空気中に噴射されシリンダに搬送される間に、摩擦等により一部がイオン化する。そのため、シリンダ内の希薄混合気にはイオン化成分が含まれている。

磁場形成装置は一組の永久磁石もしくは電磁石で構成する。着火位置が１点の場合は２個の磁石を着火位置を挟んで対向するようにシリンダ外壁に設置し、着火位置が２点以上の場合はそれに応じて適切な位置に複数の永久磁石または電磁石を配して磁場を形成する。

本発明のリーンバーンエンジンの着火支援装置は、点火プラグやレーザ光による着火位置に磁場形成装置により強磁場を形成し、燃料中のイオン化成分を磁場にトラッピングすることで着火位置に燃料を濃縮して燃料リッチな状態を作る。したがって、本発明の着火支援装置をリーンバーンエンジンに適用すれば、希薄混合気の中でも燃料濃度がより高い領域に着火を行うことができるため、着火効率が向上する。

本発明のリーンバーンエンジンの着火支援装置は、さらにイオン化機構を備え、シリンダに導入する希薄混合気の燃料成分の一部を強制的にイオン化させて燃料中のイオン化物質量を増やし、強磁場にトラッピングされる燃料の量が増すようにしてもよい。フォトエミッションやサーマルエミッションを利用して燃料ガスをイオン化することができる。

燃料成分を強制的にイオン化させると、燃料成分中のイオン化成分量が増加し、イオン化物質が強磁場にトラッピングされる機会が増加する。その結果、強磁場中のイオン化物質が凝集することにより燃料濃度が増加し、より高い着火性能を得ることができる。

なお、着火装置がレーザ着火によるものである場合、レーザ光発生装置から発射されたレーザ光を分岐して、一方を点火エネルギを発生するためのレーザ光とし、他方をフォトエミッションを行うためのレーザ光として使用すると、１台のレーザ発生装置を使用して着火と燃料のイオン化を同時に行うことができるため、装置の設置コストを軽減することができる。

以上のように、本発明のリーンバーンエンジンの着火支援装置によれば、点火プラグもしくはレーザー着火装置の着火位置に燃料濃度が高い領域を形成することにより、希薄混合気を燃焼させる場合でも、従来より高い着火性能が得られる。

したがって、内燃機関に本発明の着火支援装置を適用すれば、リーンバーンエンジンのリーン限界を改善し、燃費の向上および排出ＮＯｘの抑制に寄与することができる。

以下、図面を用いて、本発明のリーンバーンエンジンの着火支援装置を詳細に説明する。

図１は本発明の第１実施例におけるリーンバーンエンジンの着火支援装置の全体構成図である。
シリンダ１上部のシリンダヘッド２に吸気ポート３、排気ポート４と点火プラグ５が接続されている。点火プラグ５の電極６がシリンダ１内に露出している。電極６とほぼ同じ高さ位置に、永久磁石７、８がシリンダ１の外壁に固着されている。永久磁石７、８は電極６を中心として軸対象となる位置に設置され、永久磁石７のＳ極と永久磁石８のＮ極が対向している。

吸気ポート３の内壁に金属ブロック９が固着されており、金属ブロック９の外側にヒータ１０が接続されている。金属ブロック９はエンジンの運転中は常にヒータ１０により高温に熱せられている。吸気ポート３および排気ポート４は、それぞれ吸気バルブ１１および排気バルブ１２により弁止されている。
シリンダ１内には永久磁石７および永久磁石８の作用により、電極６を中心とする直線状の強磁場１３が形成されている。

吸気ポート３の上流から搬送された混合気は、燃焼サイクルに応じた吸気バルブの開閉に従ってシリンダ１内に流入する。この際に、混合気中の燃料成分の一部が高温の金属ブロック９から電子を受け取り、イオン化する。

イオン化した燃料成分を含む混合気はシリンダ１内を対流しているが、混合気が強磁場１３を通過する際に、混合気中のイオン化した燃料成分が強磁場１３にトラッピングされ、イオン化成分だけが対流から取り残されて強磁場１３の中に閉じ込められる。

図２は磁場がイオン化成分をトラッピングする現象を概念的に表した模式図である。永久磁石７のＮ極から永久磁石８のＳ極に向けて磁力線２１が発生し、強磁場１３が形成されている。強磁場１３に到達したイオン化分子２２は、磁力線２１に巻き付くように捕らえられ、強磁場１３内に停滞する。

このように、混合気がシリンダ１内に存在する間は、常に強磁場１３にイオン化分子が取り込まれ、強磁場１３内の燃料濃度が上昇していく。点火プラグ５の電極６は強磁場１３の中心部に露出しているため、シリンダ１内の燃料濃度が希薄な場合でも、着火部付近は燃料が濃縮して高濃度になっている。したがって、燃焼エネルギが確実に混合気に伝播して安定的に着火を行うことができる。

以上のように本実施例のリーンバーンエンジンの着火支援装置を内燃機関に採用すると、希薄混合気を燃焼させる場合でも着火領域に燃料成分を濃縮して燃料リッチな状態で着火を行うことができる。したがって、リーン限界を改善し燃費の向上および排出ＮＯｘの抑制に寄与することができる。

なお、本実施例ではサーマルエミッションを利用してシリンダ１に流入する混合気を強制的にイオン化したが、混合気中の燃料成分には摩擦等によりあらかじめイオン化した成分が含まれているため、吸気ポート３に金属ブロック９とヒータ１０を備えなくても、一定の燃料濃縮効果を得ることができる。

また、本実施例では永久磁石を２個使用し、磁場を直線状としたが、より多数の永久磁石を使用してもよい。例えば、図３に示すように４個の磁石３１をそれぞれが９０度ずつ離れた位置に配し、シリンダ１内に磁石３１のＮ極が面するように設置すると、磁力線３２が反発し合って中心部に磁場の空白ができ、壁面を覆うように磁力線密度が高い領域が形成される。

荷電粒子は磁力線に垂直方向には拡散しづらいため、中心部にイオン化物質が閉じ込められ、中心部の燃料成分が濃縮していく。この磁石配置によっても着火位置に燃料を濃縮することができる。

本実施例の着火支援装置には永久磁石を用いたが、電磁石を使用することもできる。電磁石を使用した場合、永久磁石より強い磁力を得られるうえ、例えば燃焼サイクルに応じて磁力のオンオフを制御し、必要な時期にだけ磁場を形成するといったこともできる。

図４は本発明の第２の実施例におけるリーンバーンエンジンの着火支援装置の概略図である。シリンダヘッド２の上方にレーザ光発生装置４１が配されており、光ファイバ４２により集光光学系４３に接続している。集光光学系４３の下端はシリンダヘッド２を貫通してシリンダ１に達している。集光光学系４３の下端はレーザ照射口となっており、磁石４４が配されている。シリンダ１の下方には外壁面に磁石４５および磁石４６が固着されている。

また、光ファイバ４２はシリンダヘッド２の上方で２股に分岐し、枝線が吸気ポート３の壁面に存在する光学窓４７に達している。光学窓４７に対向する位置には金属ブロック４８が固着されている。光ファイバ４２の分岐点には光分配器４９が備わっている。

本実施例のリーンバーンエンジンの着火支援装置では、シリンダ１内に混合気が流入する際に、レーザ光発生装置４１から微弱レーザ光を発射し、光分配器４９により光学窓４７に導いて金属ブロック４８に照射する。金属ブロック４８はフォトエミッションにより電子を発生し、付近を流通している混合気中の燃料成分をイオン化する。

シリンダ１内には磁石４４と磁石４５、４６の作用により集光光学系４３の先端からシリンダ１の外縁部に向かって２本の直線状の強磁場５０、５１が形成されている。したがって、イオン化した燃料成分が強磁場５０、５１にトラッピングされ、吸気、圧縮の課程で強磁場５０、５１内に燃料が濃縮される。

燃焼サイクルに従って混合気に着火するときは、レーザ光発生装置４１から強いレーザ光を発射し、光分配器４９を切り替えて集光光学系４３にレーザ光を導入する。集光光学系４３によりレーザ光を収束すると共に２本の光束に分割し、それぞれ強磁場５０、５１の中心部に集光させる。

強磁場５０、５１には既述の通り燃料成分が濃縮しているため、照射された２本のレーザ光エネルギは、それぞれの集光点で効率的に燃料成分に吸収されて燃料ガスに２点から着火する。

この様に、本実施例の着火支援装置によれば、希薄混合気を燃焼させる際も、着火点に燃料を濃縮して燃料リッチな状態で燃焼させることができるため、より着実に着火し、安定的に燃焼させることができる。

さらに本実施例では、シリンダ１の中心部近くから燃焼を開始させるため、燃焼初期に熱が壁面に吸収されず、より多くの燃焼エネルギを燃焼の継続のために振り向けることができる。そのうえ、２点にレーザ光を照射して着火を行うため、燃焼速度が向上すると共に広範囲に分布した燃料を確実に燃焼させることができる。

以上詳細に説明したとおり、本実施例のリーンバーンエンジンの着火支援装置によれば、点火プラグもしくはレーザー着火装置の着火位置に燃料を濃縮して着火を行うため、希薄混合気を燃焼させる場合でも、従来より高い着火性能が得ることができる。
したがって、内燃機関に本発明の着火支援装置を適用すれば、リーンバーンエンジンのリーン限界を改善し、燃費の向上および排出ＮＯｘの抑制に寄与することができる。

本発明の第１実施例におけるリーンバーンエンジンの着火支援装置の全体構成図である。 磁場がイオン化成分をトラッピングする現象を概念的に表した模式図である。 第１実施例の他の形態における磁場配置を示す模式図である。 本発明の第２実施例におけるリーンバーンエンジンの着火支援装置の概略図である。 従来の燃焼制御装置の概略図である。

符号の説明

１ シリンダ
２ シリンダヘッド
３ 吸気ポート
４ 排気ポート
５ 点火プラグ
６ 電極
７、８、３１、４５、４６ 永久磁石
９、４８ 金属ブロック
１０ ヒータ
１１ 吸気バルブ
１２ 排気バルブ
１３、５０、５１ 強磁場
２１、３２ 磁力線
２２ イオン化分子
４１ レーザ光発生装置
４２ 光ファイバ
４３ 集光光学系
４４、４５、４６ 磁石
４７ 光学窓
４９ 光分配器

Claims (5)

1. 希薄混合気を燃焼させるリーンバーンエンジンにおいて、１組の磁場形成装置を備え、該磁場形成装置が該リーンバーンエンジンの着火位置に強磁場を形成して燃料内のイオン化成分を濃縮することを特徴とするリーンバーンエンジンの着火支援装置。
2. さらにイオン化機構を備え、前記リーンバーンエンジンのシリンダに導入する希薄混合気の燃料成分をイオン化させることを特徴とする請求項１に記載のリーンバーンエンジンの着火支援装置。
3. 前記イオン化機構がフォトエミッションを利用したものであることを特徴とする請求項２に記載のリーンバーンエンジンの着火支援装置。
4. 前記リーンバーンエンジンの着火装置がレーザ着火装置であって、レーザ光発生装置から発射されたレーザ光を分岐して、一方を点火エネルギを発生するためのレーザ光とし、他方をフォトエミッションを行うためのレーザ光として使用することを特徴とする請求項３に記載のリーンバーンエンジンの着火装置。
5. 前記イオン化機構がサーマルエミッションを利用したものであることを特徴とする請求項２に記載のリーンバーンエンジンの着火支援装置。
   

Images