JP2008115794A - 内燃機関の点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】効果的に着火性能を向上させることができる内燃機関の点火装置を提供する。
【解決手段】空気と燃料との混合気が燃焼可能な燃焼室と、燃焼室又は該燃焼室に連通する吸気ポートに燃料を供給可能な燃料供給手段と、対向する電極９ｇ、９ｈ間で放電可能な放電部９ａを有し混合気に着火可能な点火手段９と、燃料供給手段とは別系統に設けられ放電部９ａにナノ粒子を供給可能なナノ粒子供給手段５１とを備えるので、効果的に着火性能を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、点火装置に関し、特に、燃焼室内の燃料に点火することにより燃焼させる内燃機関の点火装置に関するものである。

近年の内燃機関では、排出ガスのさらなる浄化や燃費向上のため、燃焼時の空気に対する燃料の量を低減し、理論空燃比よりもリーン（希薄）な空燃比で混合気を燃焼させる、いわゆるリーン燃焼（希薄燃焼）を行う内燃機関が提案され、実用化されている。内燃機関において、このようにリーン燃焼を行うことにより、燃焼時の燃料の量が低減するため燃費の向上を図ることができ、ＣＯ₂等の排気ガス成分を低減することができる。

しかしながら、このようなリーン燃焼を行う内燃機関では、燃焼室に取り込まれた混合気中の燃料の密度が小さいため、燃焼時の火炎伝播速度が低下する傾向にある。そしてリーン燃焼では火炎伝播速度が低下するため、所定の混合比以上に燃料を薄くすることができず、リーンリミット（リーン限界）が決定されてしまうという問題がある。また、燃料密度の低下は、着火性能を悪化させ、安定して混合気に着火ができないことから燃焼の不安定性を招き、結果としてリーン燃焼中に生成されるＮＯｘを低減することができないという問題もある。
なお、このような問題に対して、ナノ結晶性のセリウム酸化物を添加剤として燃料に添加することで燃焼性を向上する技術が下記の特許文献１、２が開示されている。

特表２００６−５１６９９６号公報 特表２００５−５０８４４２号公報

ところで、上記のようなリーン燃焼の際でも一旦着火すれば適正な燃焼が起こることから、例えば、着火性能向上のため点火プラグにおける点火エネルギーを上げ初期燃焼の改善を図ったものもあるが、この場合、点火エネルギーを上げすぎると点火プラグが早期に磨耗・損傷したり、内燃機関の別の部分に火花が飛んでしまったりするおそれがあり、また、点火エネルギーを上げることで放電の際の電気負荷が増加し、機関に対する負荷が増大し、結果的に燃費が悪化してしまうおそれもある。このため、内燃機関の信頼性、耐久性が低下してしまうおそれがあった。
また、上記の特許文献１、特許文献２に記載されている燃料添加剤が添加された燃料を燃焼に用いた場合、仮に燃焼性が向上したとしても、混合気に確実に着火できなければ結局は燃費の向上やＣＯ₂等の排気ガス成分の低減等を達成することはできない。

そこで本発明は、効果的に着火性能を向上させることができる内燃機関の点火装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明による内燃機関の点火装置は、空気と燃料との混合気が燃焼可能な燃焼室と、前記燃焼室又は該燃焼室に連通する吸気ポートに燃料を供給可能な燃料供給手段と、対向する電極間で放電可能な放電部を有し前記混合気に着火可能な点火手段と、前記放電部にナノ粒子を供給可能なナノ粒子供給手段とを備えることを特徴とする。

請求項２に係る発明による内燃機関の点火装置では、前記ナノ粒子供給手段は、前記ナノ粒子が添加された液体を貯留する貯留手段を有することを特徴とする。

請求項３に係る発明による内燃機関の点火装置では、前記ナノ粒子供給手段は、前記放電部に向けて前記ナノ粒子を噴射可能な噴射ノズルと、前記貯留手段と前記噴射ノズルとを連通する供給流路と、前記噴射ノズルに前記供給流路を介して前記液体を圧送可能な圧送手段と、前記供給流路を開閉可能な開閉手段を有することを特徴とする。

請求項４に係る発明による内燃機関の点火装置では、前記ナノ粒子供給手段は、前記噴射ノズルと前記開閉手段との間の前記供給流路に設けられると共に前記供給流路内の前記液体を加熱することで前記噴射ノズルから前記液体を噴射可能なヒータを有することを特徴とする。

請求項５に係る発明による内燃機関の点火装置では、前記噴射ノズルは、前記点火手段のハウジングに前記放電部と対向して組みつけられることを特徴とする。

請求項６に係る発明による内燃機関の点火装置では、前記噴射ノズルは、前記放電部の電極と兼用されることを特徴とする。

請求項７に係る発明による内燃機関の点火装置では、前記ナノ粒子供給手段は、前記液体を微粒化する微粒化手段を有することを特徴とする。

請求項８に係る発明による内燃機関の点火装置では、前記貯留手段は、前記ナノ粒子が添加された燃料を貯留することを特徴とする。

請求項９に係る発明による内燃機関の点火装置では、前記内燃機関の運転状態がリーン燃焼領域である場合において前記放電部が放電する際に、前記ナノ粒子供給手段を制御して前記ナノ粒子を前記放電部に供給する制御手段を備えることを特徴とする。

請求項１０に係る発明による内燃機関の点火装置では、前記ナノ粒子の供給タイミングは、前記放電部による放電時期前であることを特徴とする。

本発明に係る内燃機関の点火装置によれば、放電部にナノ粒子を供給可能なナノ粒子供給手段を備えるので、効果的に着火性能を向上させることができる。

以下に、本発明に係る内燃機関の点火装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、本発明の実施例１に係る内燃機関の点火装置の概略構成を示す模式的側面図、図２は、本発明の実施例１に係る内燃機関の点火装置の平面図、図３は、本発明の実施例１に係る内燃機関の点火装置が適用されたエンジンを示す概略構成図である。

図３に示すように、本実施例では本発明に係る内燃機関の点火装置５０を内燃機関としてのエンジン１に適用して説明する。このエンジン１は、乗用車、トラックなどの車両に搭載されるエンジンであり、シリンダボア２に往復運動可能に設けられるピストン３が２往復する間に、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程からなる一連の４行程を行う、いわゆる４サイクルエンジンである。

このエンジン１は、シリンダボア２を往復移動可能なピストン３と、空気と燃料との混合気が燃焼可能であると共にピストン３の移動方向の一方側に設けられる燃焼室４と、ピストン３の移動方向の他方側に設けられる複数のクランク室５を備える。このエンジン１は、シリンダボア２、ピストン３、燃焼室４、クランク室５をそれぞれ複数備える。なお、以下の説明では、複数ある気筒のうちの１つについて説明する。

さらに、エンジン１は、燃焼室４に連通する吸気ポート６及び排気ポート７と、燃焼室４内に燃料を直接噴射することが可能な燃料供給手段としてのインジェクタ８と、燃焼室４の上方に位置して混合気に着火する点火手段としての点火プラグ９と、ピストン３の往復運動に連動して回転可能なクランクシャフト１０を備える。インジェクタ８、点火プラグ９は、制御手段としての電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ、以下単に「ＥＣＵ」という）３０に電気的に接続されている。さらに、エンジン１は、シリンダヘッド１１、シリンダブロック１２を備える。

シリンダヘッド１１は、シリンダブロック１２上に締結される。シリンダブロック１２は、内部に上述した円筒形状のシリンダボア２が形成されると共にシリンダボア２の下方にクランク室５が形成される。ピストン３は、このシリンダボア２に上下移動自在に嵌合する。クランク室５は、シリンダボア２に各々連通する。クランクシャフト１０は、クランク室５内に回転自在に支持される。上述のピストン３は、それぞれコネクティングロッド１３を介してこのクランクシャフト１０に連結される。ピストン３の往復運動は、コネクティングロッド１３を介してクランクシャフト１０に伝えられ、ここで回転運動に変換されて、エンジン１の出力として取り出される。

燃焼室４は、ピストン３を挟んでクランク室５の反対側に設けられる。この燃焼室４は、複数のシリンダボア２に対応して複数形成され、シリンダヘッド１１の下面、シリンダボア２の壁面及びピストン３の頂面により画成される。この燃焼室４の上部、つまり、シリンダヘッド１１の下面に上述した吸気ポート６及び排気ポート７が各々２つずつ形成される。この吸気ポート６及び排気ポート７の開口には吸気弁１４及び排気弁１５が設けられる。この吸気弁１４及び排気弁１５は、吸気ポート６及び排気ポート７をそれぞれ開閉可能とし、吸気ポート６と燃焼室４、燃焼室４と排気ポート７とをそれぞれ連通することができる。吸気ポート６は、その吸気方向上流側に吸気マニホールドを介して空気を導入する吸気通路としての吸気管１６が接続され、排気ポート７は、燃焼室４から排気ガスを排出し、その排気方向下流側に排気マニホールドを介してこの燃焼室４内の排気ガスを排出する排気通路としての排気管１７が接続される。

このエンジン１は、マイクロコンピュータを中心として構成されるＥＣＵ３０により運転状態に応じて各部の駆動が制御されている。すなわち、ＥＣＵ３０は、種々のセンサが検出する吸入空気量、吸気温度、吸気圧、スロットル開度、アクセル開度、エンジン回転数、エンジン冷却水温などのエンジン運転状態に基づいて燃料噴射量（燃料噴射時間）、噴射時期、点火時期などを決定し、インジェクタ８及び点火プラグ９を駆動して燃料噴射及び点火を実行する。また、ＥＣＵ３０には、排気管１７に設けられるＡ／Ｆセンサ１８が電気的に接続されている。このＡ／Ｆセンサ１８は排気ガスの空燃比を検出するものであり、ＥＣＵ３０はＡ／Ｆセンサ１８の検出結果をフィードバックし、通常、空燃比がストイキ（理論空燃比）となるように燃料噴射量を補正している。

このエンジン１では、ピストン３がシリンダボア２内を下降することで、吸気管１６および吸気ポート６を介して燃焼室４内に空気が吸入され（吸気行程）、この空気とインジェクタ８から燃焼室４内へ噴射される燃料とが混合して混合気を形成する。そして、このピストン３が吸気行程下死点を経てシリンダボア２内を上昇することで混合気が圧縮され（圧縮行程）、ピストン３が圧縮行程上死点付近に近づくと点火プラグ９により混合気に点火され、該混合気が燃焼し、その燃焼圧力によりピストン３を下降させる（膨張行程）。燃焼後の混合気は、ピストン３が膨張行程下死点を経て吸気行程上死点に向かって再び上昇することで排気ポート７、排気管１７を介して排気ガスとして放出される（排気行程）。このピストン３のシリンダボア２内での往復運動は、コネクティングロッド１３を介してクランクシャフト１０に伝えられ、ここで回転運動に変換され、出力として取り出されると共に、このピストン３は、クランクシャフト１０が慣性力によりさらに回転することで、このクランクシャフト１０の回転に伴ってシリンダボア２内を往復する。このクランクシャフト１０が２回転することで、ピストン３はシリンダボア２を２往復し、この間に吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程からなる一連の４行程を行い、燃焼室４内で１回の爆発が行われる。

ここで、このエンジン１は、排出ガスのさらなる浄化や燃費向上のため、燃焼時の空気に対する燃料の量を低減し、理論空燃比よりもリーン（希薄）な空燃比で混合気を燃焼させる、いわゆるリーン燃焼（希薄燃焼）を行う場合がある。すなわち、このエンジン１は、吸気行程で燃焼室４内に取り入れる混合気は運転状態に応じて、空気に対する燃料の割合が、理論空燃比の燃料の割合より低い混合気である希薄混合気を取り入れる場合があり、燃焼行程ではいわゆるリーン燃焼を行う場合がある。これにより、燃焼時の燃料の量が低減するため燃費の向上を図ることができ、ＣＯ₂等の燃焼ガスを低減することができる。

しかしながら、このようなリーン燃焼を行う場合、燃焼室４に取り込まれた混合気中の燃料の密度が小さいため、燃焼時の火炎伝播速度が低下する傾向にある。そしてリーン燃焼では火炎伝播速度が低下するため、所定の混合比以上に燃料を薄くすることができず、リーンリミット（リーン限界）が決定されてしまうという問題がある。また、燃料密度の低下は、着火性能を悪化させ、安定して混合気に着火ができないことから燃焼の不安定性を招き、結果としてリーン燃焼中に生成されるＮＯｘを低減することができないおそれがある。なお、このリーンリミットとは、燃料と空気とを混合させた混合気を燃焼させる際に、空気の量に対して燃料の量を減少させていった場合に、失火することなく正常に燃焼させることのできる空燃比の限界をいう。

そこで、本実施例のエンジン１では、図１又は図２に示すように、点火装置５０に点火手段としての点火プラグ９の放電部９ａにナノ粒子を供給可能なナノ粒子供給手段としてのナノ粒子供給装置５１を設けることで、着火性能を向上させ初期燃焼の改善を図っている。

まず、この点火プラグ９は、ハウジング９ｂと、そのハウジング９ｂに組み込まれた碍子９ｃとを備える。碍子９ｃは、ハウジング９ｂを長手方向に貫通して延設され、碍子９ｃには中軸９ｄが組み込まれている。この中軸９ｄは、その一端に外部電極９ｅが設けられる。この外部電極９ｅには、外部の電源装置３１から延びる電源コードが接続される。この電源装置３１は、ＥＣＵ３０に電気的に接続されており、このＥＣＵ３０により駆動が制御されている。そして、点火プラグ９はその先端に、互いに対向する電極間で放電可能な上述の放電部９ａを有する。この放電部９ａは、中心電極９ｇと接地電極９ｈとを有し、この中心電極９ｇと接地電極９ｈとが所定の間隙９ｆをあけて対向している。中心電極９ｇは、高電圧が印加される電極であり、接地電極９ｈは、中心電極よりも電位差が非常に低く、例えば接地されている電極である。

接地電極９ｈは、基端部がハウジング９ｂと一体に形成されると共に先端部が折り曲げられたＬ字型の形状をなす。中心電極９ｇは、碍子９ｃの先端から突出するように設けられる。そして、この中心電極９ｇの突出した部分が接地電極９ｈの折り曲げられた先端部と対向する。この中心電極９ｇと中軸９ｄとは、碍子９ｃの内部において導電性を有する材料を介して互いに電気的に接続される。接地電極９ｈと中心電極９ｇとは、碍子９ｃにより互いに絶縁される。ハウジング９ｂは、その先端に雄ネジ９ｉが形成されており、点火プラグ９は、この雄ネジ９ｉがエンジン１のシリンダヘッド１１（図３参照）に設けられた所定のネジ孔に螺合されることでこのシリンダヘッド１１に装着される。

この点火プラグ９がシリンダヘッド１１に装着された状態で、電源装置３１から外部電極９ｅ及びハウジング９ｂの間に高電圧が印加されることにより、中心電極９ｇ及び接地電極９ｈの間に高電圧が供給される。この中心電極９ｇ及び接地電極９ｈとの間に電位差が生じると、この高電圧に基づき、中心電極９ｇ及び接地電極９ｈの間、すなわち、間隙９ｆで火花放電が起きるようになっている。

ナノ粒子供給装置５１は、この点火プラグ９の放電部９ａにナノ粒子を供給するものであり、空気中よりも自由電子を多く有する物質を放電部９ａに供給することで上記の放電による火花を強化する。ここで、ナノ粒子供給装置５１が供給するナノ粒子は、空気中に浮遊し比較的小さく軽量で、燃焼室４内での混合気の燃焼に伴って燃え尽きる物質を用いる。本実施例においてナノ粒子は、例えば、粒径が数十ｎｍ（ナノメータ）の金属や炭素の粒子を用いることができる。

ナノ粒子供給装置５１は、ナノ粒子を噴射可能な噴射ノズル５２と、ナノ粒子を貯留する貯留手段としてのタンク５３と、噴射ノズル５２とタンク５３とを連通する供給流路５４と、供給流路５４に設けられる圧送手段としてのポンプ５５、開閉手段としての電磁弁５６及び微粒化手段としてのヒータ５７を備える。このヒータ５７は、噴射ノズル５２からナノ粒子を噴射する噴射手段でもある。

タンク５３は、その内部にナノ粒子が添加された液体（以下、特に断りのない限り「ナノ粒子溶液」という。）を貯留する。ここでは、ナノ粒子が添加される液体として燃料を用いる。このように、ナノ粒子を液体に添加した状態でタンク５３内に貯留することでナノ粒子の固化を防止することができる。また、ナノ粒子は、極めて軽量であることから液中に浮遊し、沈殿することはない。このため、ナノ粒子溶液を攪拌する手段を設ける必要はとくにはない。

噴射ノズル５２は、先端部がＬ字型に折り曲げられ、この先端部の開口５２ａが上述の放電部９ａの間隙９ｆに対向するように設けられる（図２参照）。開口５２ａは、微小径、例えば、数十μｍ（マイクロメータ）で形成される。したがって、噴射ノズル５２は、放電部９ａの間隙９ｆに向けて微量のナノ粒子溶液を供給可能である。

供給流路５４は、噴射ノズル５２とタンク５３とを連通する。この供給流路５４は、上述した燃料供給手段としてのインジェクタ８（図３参照）に燃料を供給する燃料供給系統から独立して別個に設けられる流路であり、すなわち、ナノ粒子供給装置５１は、インジェクタ８とは別系統に設けられる。また、上述したように、噴射ノズル５２の開口５２ａは極微小径であり、放電部９に供給されるナノ粒子溶液の量は極めて微量であり、このナノ粒子溶液中の燃料量はあくまでもナノ粒子を保存するために必要な極微量に過ぎないので、燃焼室４内で燃焼する混合気の空燃比にはほとんど影響は与えない。このため、触媒による排気ガスの浄化性能を低下させてしまうおそれもない。

この供給流路５４には、タンク５３側から順にポンプ５５、電磁弁５６及びヒータ５７が設けられる。ポンプ５５は、タンク５３に貯留されたナノ粒子溶液を噴射ノズル５２に供給流路５４を介して圧送可能である。電磁弁５６は、この供給流路５４を開閉可能である。ヒータ５７は、噴射ノズル５２と電磁弁５６との間に設けられ、供給流路５４内のナノ粒子溶液を加熱可能である。そして、ヒータ５７は、このナノ粒子溶液を加熱することで微粒化することができると共に、後述するように、この微粒化したナノ粒子溶液を噴射ノズル５２から噴射することができる。ポンプ５５、電磁弁５６及びヒータ５７は、ＥＣＵ３０に電気的に接続されており、このＥＣＵ３０により各々その駆動が制御されている。

なお、点火プラグ９は、このナノ粒子供給装置５１の一部を含んで構成される。すなわち、供給流路５４の一部、電磁弁５６及びヒータ５７は、点火プラグ９のハウジング９ｂの内部に組み込まれており一体となっている。そして、噴射ノズル５２は、このハウジング９ｂから放電部９ａ側に突出することで、この放電部９ａに対向するように組みつけられている。これにより、ナノ粒子供給装置５１を点火プラグ９と共にエンジン１のシリンダヘッド１１に取り付けることが可能となる。

上記のように構成されるエンジン１の点火装置５０では、まず、ＥＣＵ３０は、ポンプ５５を作動させ、タンク５３に貯留されるナノ粒子溶液を供給流路５４に圧送し、電磁弁５６を駆動して供給流路５４を所定時間だけ開放し、この電磁弁５６と噴射ノズル５２の開口５２ａとの間の供給流路５４をナノ粒子溶液で満たす。このとき、燃焼室４内の圧力、つまり、筒内圧が上昇しても、この電磁弁５６が供給流路５４を閉鎖していることから、ナノ粒子溶液が噴射ノズル５２側からタンク５３側に逆流することはない。

その後、ＥＣＵ３０は、電源装置３１を駆動し中心電極９ｇに高電圧を印加する直前にヒータ５７を通電し、電磁弁５６と噴射ノズル５２の開口５２ａとの間の供給流路５４内を満たしているナノ粒子溶液を加熱する。すると、ヒータ５７により加熱されたナノ粒子溶液は、粒状に微粒化されつつ、膨張した気泡により噴射ノズル５２から放電部９ａに向けて噴射される。すなわち、ナノ粒子溶液は、放電部９ａによる放電時期前のタイミングで供給される。ヒータ５７により加熱されたナノ粒子溶液の液滴（数十μｍ）は、燃焼室４内の高温ガスに接触し、ただちに蒸発し、この結果、放電部９ａの間隙９ｆ近傍にナノ粒子が浮遊する。

その後、中心電極９ｇに高電圧を印加すると、中心電極９ｇと接地電極９ｈとの間の間隙９ｆに強い電界が付与され、この電界により空気中の初期電子が加速される。その加速された電子が、間隙９ｆに存在する気体分子に衝突し、その分子から電子を電離させる。電離した電子は同様に加速され、更に別の気体分子に衝突して電子を電離させる。このように、気体分子から電子を二次的に電離させ、その電離を雪崩的に増殖することにより、やがて両電極の間に火花放電が起きる。

このとき、上述したように放電部９ａの間隙９ｆ近傍に浮遊するナノ粒子は、放電エネルギーにより励起され、数千度の高温になり、イオン化され自由電子を大量に放出する。この結果、間隙９ｆにおける自由電子が増加し、そのプラズマ状態が強化され、このため、燃焼初期の火炎核が大きく発達し、その結果、着火性能が向上し、初期燃焼が改善される。この場合、例えば、中心電極９ｇに印加する電圧を高くし、点火エネルギーを上げ初期燃焼の改善を図った場合と比較して、点火エネルギーの上げすぎによる点火プラグ９の早期の磨耗・損傷を防止することができ、エンジン１の別の部分に火花が飛んでしまったりすることを抑制することができる。また、点火エネルギーを低く抑えたまま着火性能を向上させることができることから、放電の際の電気負荷を抑制することができ、この結果、機関に対する負荷も抑制され、燃費の悪化を防止することができる。このため、エンジン１の信頼性、耐久性も向上する。

ここで、上述したように、本実施例ではナノ粒子を添加する液体として燃料を用いていることから、放電部９ａに向けて噴射されたナノ粒子溶液が蒸発すると、放電部９ａ周りに燃料の濃い（リッチ）混合気が形成されるため、着火性能はさらに向上する。すなわち、放電部９ａ近傍の極微小な領域のみにおいてリッチな空燃比で混合気を燃焼させ、他の大部分の領域ではリーンな空燃比で混合気を燃焼させることが可能となり、このため、着火性能をさらに向上させつつ、適正なリーン燃焼を行うことができる。

なお、本実施例では、ＥＣＵ３０は、エンジン１の運転状態がリーン燃焼領域である際に、ナノ粒子供給装置５１を制御してナノ粒子を放電部９ａに供給する。すなわち、ＥＣＵ３０は、Ａ／Ｆセンサ１８により検出される空燃比に応じてこの空燃比がリーンである際にヒータ５７を通電し、放電部９ａの間隙ｆに向けてナノ粒子溶液を供給する。このように、リーン燃焼の際に、ナノ粒子を放電部９ａに供給して着火性能を向上させ、初期燃焼を改善することで、着火性悪化による失火が改善され、リーン燃焼で運転できる空燃比の範囲、すなわち、リーンリミット（リーン燃焼で運転できる空燃比の上限）を拡大することができる。その結果、さらなる燃費及びＮＯｘ排出量の低減及びエミッションの改善を実現することができる。さらに、着火性能のよいリッチ燃焼、ストイキ燃焼ではナノ粒子の供給を停止することで、電気消費量を抑制でき、電気負荷を低減することができる。

以上で説明した本発明の実施例に係るエンジン１の点火装置５０によれば、空気と燃料との混合気が燃焼可能な燃焼室４と、燃焼室４に燃料を供給可能なインジェクタ８と、対向する中心電極９ｇ、接地電極９ｈ間で放電可能な放電部９ａを有し混合気に着火可能な点火プラグ９と、放電部９ａにナノ粒子を供給可能なナノ粒子供給装置５１とを備える。

したがって、放電部９ａに向けてナノ粒子を供給可能なナノ粒子供給装置５１を設けることで、放電の際に中心電極９ｇと接地電極９ｈとの間隙９ｆに存在する自由電子が増加
し、そのプラズマ状態が強化されるので、点火エネルギーを低く抑えたまま、効果的に着火性能を向上させることができる。

さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るエンジン１の点火装置５０によれば、ナノ粒子供給装置５１は、ナノ粒子が添加された液体を貯留するタンク５３を有する。したがって、ナノ粒子が液体に添加された状態でタンク５３に貯留されることで、ナノ粒子の固化を防止することができる。

さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るエンジン１の点火装置５０によれば、ナノ粒子供給装置５１は、放電部９ａに向けてナノ粒子溶液を噴射可能な噴射ノズル５２と、タンク５３と噴射ノズル５２とを連通する供給流路５４と、噴射ノズル５２に供給流路５４を介して液体を圧送可能なポンプ５５と、供給流路５４を開閉可能な電磁弁５６を有する。したがって、ポンプ５５を作動させ、電磁弁５６により供給流路５４を開放することで、ナノ粒子溶液を噴射ノズル５２から噴射可能であると共に、電磁弁５６により供給流路５４を閉鎖することで、燃焼室４の筒内圧が上昇してもナノ粒子溶液が噴射ノズル５２側からタンク５３側に逆流することを防止することができる。

さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るエンジン１の点火装置５０によれば、ナノ粒子供給装置５１は、噴射ノズル５２と電磁弁５６との間の供給流路５４に設けられると共に供給流路５４内のナノ粒子溶液を加熱することで噴射ノズル５２からナノ粒子溶液を噴射可能なるヒータ５７を有する。したがって、ヒータ５７により供給流路５４内のナノ粒子溶液を加熱することで、このナノ粒子溶液を微粒化することができると共に膨張した気泡により噴射ノズル５２から放電部９ａに向けてナノ粒子溶液を噴射することができる。また、ナノ粒子溶液が放電部９ａに向けて噴射される前にヒータ５７により加熱され昇温していることから、ナノ粒子が添加されている液体をすばやく蒸発させることができる。さらに、例えば、電磁弁等と比較的してよりコンパクトなヒータ５７の駆動によりナノ粒子溶液の噴射及び停止を行うことで、噴射ノズル５２の開口５２ａに比較的近い位置にヒータ５７を設けることができ、より正確にナノ粒子溶液の噴射及び停止を実行することができる。また、この点火装置５０の放電部９ａ、噴射ノズル５２近傍の構成をより小さくすることができることから、点火装置５０の設置位置に高い汎用性を持たせることができる。

さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るエンジン１の点火装置５０によれば、ナノ粒子供給装置５１は、ナノ粒子溶液を微粒化する微粒化手段としのヒータ５７を有する。すなわち、ここでは、ナノ粒子溶液を加熱することで噴射ノズル５２からナノ粒子溶液を噴射可能なヒータ５７が本発明の微粒化手段を兼ねる。したがって、ヒータ５７によりナノ粒子溶液を微粒化することで、ナノ粒子溶液を適切な大きさの液滴として放電部９ａに供給することができ、ナノ粒子が添加されている液体を効率的に蒸発させることができ、ナノ粒子を確実に放電部９ａに供給することができる。

さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るエンジン１の点火装置５０によれば、噴射ノズル５２は、点火プラグ９のハウジング９ｂに放電部９ａと対向して組みつけられる。したがって、点火プラグ９は、ナノ粒子供給装置５１を含んで構成され、供給流路５４の一部、電磁弁５６及びヒータ５７が点火プラグ９のハウジング９ｂの内部に組み込まれ、一体となっていることで、ナノ粒子供給装置５１を容易にエンジン１のシリンダヘッド１１に取り付けることができ、このため、製造コストを削減することができる。また、放電部９ａと噴射ノズル５２との位置あわせも精度よく行うことができる。

さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るエンジン１の点火装置５０によれば、タンク５３は、ナノ粒子が添加された燃料を貯留する。したがって、ナノ粒子が添加される液体として燃料を用いることで、ナノ粒子の固化を防止することができると共に放電部９ａに向けて噴射されたナノ粒子溶液が蒸発すると、放電部９ａ周りに燃料の濃い（リッチ）混合気が形成されるため、着火性能をさらに向上することができる。

さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るエンジン１の点火装置５０によれば、エンジン１の運転状態がリーン燃焼領域である場合において放電部９ａが放電する際に、ナノ粒子供給装置５１を制御してナノ粒子を放電部９ａに供給するＥＣＵ３０を備える。したがって、リーン燃焼の際にナノ粒子を放電部９ａに供給することで、着火性能を向上し、初期燃焼を改善することができ、効果的にリーンリミット（リーン燃焼で運転できる空燃比の上限）を拡大することができる。その結果、さらなる燃費及びＮＯｘ排出量の低減及びエミッションの改善を実現することができる。

さらに、以上で説明した本発明の実施例に係るエンジン１の点火装置５０によれば、ナノ粒子溶液の供給タイミングは、放電部９ａによる放電時期前、ここでは、直前である。したがって、放電部９ａが放電する時点において、中心電極９ｇと接地電極９ｈとの間隙９ｆに確実にナノ粒子が存在するので、確実に安定した着火を実現することができる。

図４は、本発明の実施例２に係る内燃機関の点火装置の放電部を示す部分側面図である。実施例２に係る内燃機関の点火装置は、実施例１に係る内燃機関の点火装置と略同様の構成であるが、放電部の構成が実施例１に係る内燃機関の点火装置とは異なる。その他、上述した実施例と共通する構成、作用、効果については、重複した説明はできるだけ省略するとともに、同一の符号を付す。

実施例２に係るエンジン１の点火装置２５０は、図４に示すように、噴射ノズル兼用接地電極２０９ｈを備えている。この噴射ノズル兼用接地電極２０９ｈは、実施例１における接地電極９ｈ（図１参照）と噴射ノズル５２（図１参照）とを兼用したものであり、接地電極９ｈの内部を中空とし、この中空部分を供給流路５４（図１参照）とすることで構成される。すなわち、この噴射ノズル兼用接地電極２０９ｈは、放電部２０９ａに向けてナノ粒子を噴射可能な本発明の噴射ノズルに相当すると共に対向する電極間で放電可能な放電部２０９ａのうちの一方の電極に相当する。噴射ノズル兼用接地電極２０９ｈは、開口２５２ａと中心電極９ｇと間に間隙９ｆを形成すると共にこの開口２５２ａからこの間隙９ｆに向けて直接ナノ粒子溶液を供給する。したがって、確実に放電部２０９ａの間隙９ｆにナノ粒子を供給可能となる。

以上で説明した本発明の実施例に係るエンジン１の点火装置２５０によれば、本発明の噴射ノズルは、放電部２０９ａの接地電極と兼用される噴射ノズル兼用接地電極２０９ｈにより構成する。したがって、噴射ノズル兼用接地電極２０９ｈにより接地電極を構成すると共に噴射ノズルを構成することで、噴射ノズル兼用接地電極２０９ｈの開口２５２ａが放電部２０９ａの間隙９ｆに面するため、確実にナノ粒子溶液を間隙９ｆに供給可能となり、この結果、ナノ粒子溶液の供給量を最小限に抑えることができる。

なお、上述した本発明の実施例に係る内燃機関の点火装置は、上述した実施例に限定されず、特許請求の範囲に記載された範囲で種々の変更が可能である。以上の説明では、本発明の点火装置５０、２５０を筒内噴射式の多気筒エンジンに適用して説明したが、この形式のエンジンに限らず、直列型またはＶ型エンジンに適用することもでき、また、吸気ポートに燃料を供給可能な燃料供給手段を備えるポート噴射式エンジン等に適用しても同様の作用効果を奏することができる。

また、以上の説明では、放電部に供給されるナノ粒子溶液の量は極めて微量であることから、ナノ粒子が添加される液体として燃料を用いても、燃焼室４内で燃焼する混合気の空燃比にはほとんど影響は与えないと説明した。このため、以上の説明では、ナノ粒子溶液の供給量に応じて空燃比を制御する構成とはしていないが、ナノ粒子溶液の供給量に応じて空燃比すなわち、インジェクタ８による燃料噴射量を制御してもよい。また、以上の説明では、ナノ粒子が添加される液体として燃料を用いるものとして説明したが、他の液体、例えば、水などであってもよい。また、ナノ粒子を液体に添加せずそのまま放電部に供給するようにしてもよい。この場合、例えば、放電部のクリーニング効果も奏することが可能な場合がある。

また、以上の説明では、開閉手段として電磁弁５６を用いるものとして説明したが、電磁弁５６の代わりに逆支弁を用いることで、ナノ粒子溶液の逆流を防止するようにしてもよい。また、以上の説明では、噴射手段としてヒータ５７を駆動して噴射ノズルからナノ粒子溶液を噴射するものとして説明したが、他の構成、例えば、単純にポンプ５５及び電磁弁５６の駆動だけでナノ粒子溶液を噴射するようにしてもよい。また、本発明の微粒化手段はヒータ５７であるものとして説明したが、ナノ粒子溶液を微粒化できればなんでもよい。また、以上の説明では、し中心電極に高電圧を印加する直前にナノ粒子溶液を放電部に供給するものとして説明したが、放電の際において放電部の間隙にナノ粒子が存在していればほぼ同時であってもよい。また、以上の説明では、エンジン１の運転状態がリーン燃焼領域である際にナノ粒子溶液を放電部に供給するものとして説明したが、リッチ燃焼流域、ストイキ燃焼領域の際にも供給するようにしてもよい。

以上のように、本発明に係る内燃機関の点火装置は、効果的に着火性能を向上させるものであり、燃焼室内の燃料に点火することにより燃焼させる種々の内燃機関に用いて好適である。

本発明の実施例１に係る内燃機関の点火装置の概略構成を示す模式的側面図である。 本発明の実施例１に係る内燃機関の点火装置の平面図である。 本発明の実施例１に係る内燃機関の点火装置が適用されたエンジンを示す概略構成図である。 本発明の実施例２に係る内燃機関の点火装置の放電部を示す部分側面図である。

符号の説明

１ エンジン（内燃機関）
２ シリンダボア
３ ピストン
４ 燃焼室
５ クランク室
６ 吸気ポート
７ 排気ポート
８ インジェクタ（燃料供給手段）
９ 点火プラグ（点火手段）
９ａ、２０９ａ 放電部
９ｂ ハウジング
９ｃ 碍子
９ｆ 間隙
９ｇ 中心電極（電極）
９ｈ 接地電極（電極）
１０ クランクシャフト
１１ シリンダヘッド
１２ シリンダブロック
１３ コネクティングロッド
１８ Ａ／Ｆセンサ
３０ ＥＣＵ（制御手段）
５０、２５０ 点火装置
５１ ナノ粒子供給装置（ナノ粒子供給手段）
５２ａ、２５２ａ 開口
５２ 噴射ノズル
５３ タンク（貯留手段）
５４ 供給流路
５５ ポンプ（圧送手段）
５６ 電磁弁（開閉手段）
５７ ヒータ（微粒化手段）
２０９ｈ 噴射ノズル兼用接地電極（噴射ノズル、電極）

Claims (10)

1. 空気と燃料との混合気が燃焼可能な燃焼室と、
   前記燃焼室又は該燃焼室に連通する吸気ポートに燃料を供給可能な燃料供給手段と、
   対向する電極間で放電可能な放電部を有し前記混合気に着火可能な点火手段と、
   前記放電部にナノ粒子を供給可能なナノ粒子供給手段とを備えることを特徴とする、
   内燃機関の点火装置。
2. 前記ナノ粒子供給手段は、前記ナノ粒子が添加された液体を貯留する貯留手段を有す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. 前記ナノ粒子供給手段は、前記放電部に向けて前記ナノ粒子を噴射可能な噴射ノズルと、前記貯留手段と前記噴射ノズルとを連通する供給流路と、前記噴射ノズルに前記供給流路を介して前記液体を圧送可能な圧送手段と、前記供給流路を開閉可能な開閉手段を有することを特徴とする、
   請求項２に記載の内燃機関の点火装置。
4. 前記ナノ粒子供給手段は、前記噴射ノズルと前記開閉手段との間の前記供給流路に設けられると共に前記供給流路内の前記液体を加熱することで前記噴射ノズルから前記液体を噴射可能なヒータを有することを特徴とする、
   請求項３に記載の内燃機関の点火装置。
5. 前記噴射ノズルは、前記点火手段のハウジングに前記放電部と対向して組みつけられることを特徴とする、
   請求項３又は請求項４に記載の内燃機関の点火装置。
6. 前記噴射ノズルは、前記放電部の電極と兼用されることを特徴とする、
   請求項３乃至請求項５のいずれか１項に記載の内燃機関の点火装置。
7. 前記ナノ粒子供給手段は、前記液体を微粒化する微粒化手段を有することを特徴とする、
   請求項２乃至請求項６のいずれか１項に記載の内燃機関の点火装置。
8. 前記貯留手段は、前記ナノ粒子が添加された燃料を貯留することを特徴とする、
   請求項２乃至請求項７のいずれか１項に記載の内燃機関の点火装置。
9. 前記内燃機関の運転状態がリーン燃焼領域である場合において前記放電部が放電する際に、前記ナノ粒子供給手段を制御して前記ナノ粒子を前記放電部に供給する制御手段を備えることを特徴とする、
   請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の内燃機関の点火装置。
10. 前記ナノ粒子の供給タイミングは、前記放電部による放電時期前であることを特徴とする、
    請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の内燃機関の点火装置。

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