JP2009036201A5

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Publication number: JP2009036201A5
Application number: JP2008182110A
Authority: JP
Filing date: 2008-07-12
Publication date: 2011-09-08
Anticipated expiration: 2028-07-12

Description

均一予混合圧縮自着火エンジン及びエンジン

本発明は、均一予混合圧縮自着火エンジンに関し、特に着火時期制御を行うエンジンに関する。

ガソリンエンジン（火花点火機関）やディーゼルエンジン（圧縮着火機関）と比較して、同等以上の効率、低ＮＯｘ排出を実現するエンジンとして、特許文献１に記載されているように、均一予混合圧縮自着火エンジンが提案されている。

しかし、均一予混合圧縮自着火エンジンでは、着火時期の制御を行いにくいという問題がある。混合気の着火時期は、ガソリンエンジンでは点火時期、ディーゼルエンジンでは燃料噴射時期によって制御されているのに対し、均一予混合圧縮自着火エンジンでは、燃料の化学反応遅れ時間にのみ依存しているからである。そのため、均一予混合圧縮自着火エンジンでは、運転範囲（エンジン回転数、負荷等）が限定されているのが現状である。

そこで、この化学反応遅れ時間が、混合気の温度によって決まることに着目し、混合気温度を変化させて着火時期の制御を行うことが試みられている。着火時期の制御方法としては、ヒーター等を用いて吸入空気（混合気）温度を調整して着火時期を制御する手法、排気ガス再循環（内部及び外部ＥＧＲ）量を調整して着火時期を制御する手法などが用いられている。また、特許文献２に記載されているように、紫外光を照射して、シリンダ内の予混合気中に直接ラジカルを発生させることによる着火制御も行われている。

特開２００１−２８０１６５公報特開２００２−２９５２５６公報

前述したように、均一予混合圧縮自着火エンジンにおいては、着火時期が混合気の化学的着火遅れだけに依存するためその制御が困難である。ヒーター、ＥＧＲを利用して圧縮前の混合気温度を調整する手法では、吸気バルブが閉じるまでの制御しか行えず、その後の圧縮行程中の混合気の着火制御は制御不能であった。

また、吸入空気をヒーターにて温度調整する手法では、温度変化の応答性が低いためにサイクル毎の制御が不可能であり、過渡運転時の着火制御はできない。

そこで、本発明は、前述の実情に鑑みて提案されるものであって、着火時期を制御することができる均一予混合圧縮自着火エンジンを提供することを目的とする。

前述の課題を解決し、前記目的を達成するため、本発明に係る均一予混合圧縮自着火エンジンは、以下の構成のいずれか一を有するものである。

〔構成１〕
着火時期を制御する均一予混合圧縮自着火エンジンであって、エンジンシリンダ内に最小着火エネルギ以下のプラズマを生成するプラズマ生成手段と、プラズマに電磁波を照射する電磁波照射手段と、電磁波照射手段及びプラズマ生成手段に発振信号を送る制御装置と、制御装置に着火時期信号を送る着火時期信号発信装置とを備え、制御装置は、着火時期信号が表す着火時期より前の所定のタイミングにおいて、プラズマの生成及び電磁波の照射を行うことによって、シリンダ内にプラズマを生成することを特徴とするものである。

〔構成２〕
構成１を有する均一予混合圧縮自着火エンジンにおいて、シリンダ内に生成されるプラズマは非平衡プラズマであり、所定のタイミングにおいて着火に必要な量のラジカルを生成することを特徴とするものである。

〔構成３〕
構成２を有する均一予混合圧縮自着火エンジンにおいて、制御装置は、ラジカルを供給するタイミング及び供給量を、電磁波照射及びプラズマ生成の発振パルス数及び発振パルス幅及び発振強度のうち、少なくとも一つを制御することにより決定することを特徴とするものである。

〔構成４〕
構成１を有する均一予混合圧縮自着火エンジンにおいて、シリンダ内に生成されるプラズマは熱プラズマであり、所定のタイミングにおいて着火に必要な温度までシリンダ内ガス温度を上昇させることを特徴とするものである。

〔構成５〕
構成４を有する均一予混合圧縮自着火エンジンにおいて、制御装置は、シリンダ内ガス温度上昇タイミング及び上昇ガス温度を、電磁波照射及びプラズマ生成の発振パルス数及び発振パルス幅及び発振強度のうち、少なくとも一つを制御することにより決定することを特徴とするものである。

〔構成６〕
構成１乃至構成５のいずれか一に有する均一予混合圧縮自着火エンジンにおいて、シリンダガスケットには、少なくとも一つのアンテナ及び少なくとも一つの電極が埋め込まれており、電磁波放射及びプラズマ生成を、該アンテナ及び該電極によって行うことを特徴とするものである。

〔構成７〕
構成１乃至構成６のいずれか一に有する均一予混合圧縮自着火エンジンにおいて、吸気管、またとまたは、シリンダ内に水噴射を行うことを特徴とするものである。

〔構成８〕
構成１乃至構成６のいずれか一に有する均一予混合圧縮自着火エンジンにおいて、内部、または、外部ＥＧＲの量を調整する機構をもつことを特徴とするものである。

〔構成９〕
構成１乃至構成８のいずれか一に有する均一予混合圧縮自着火エンジンにおいて、プラズマ生成の動作の有無を変更することにより、圧縮着火と均一予混合圧縮着火とを選択することができることを特徴とするものである。

〔構成１０〕
構成１乃至構成８のいずれか一に有する均一予混合圧縮自着火エンジンにおいて、プラズマ生成の動作の有無を変更することにより、火花点火と均一予混合圧縮着火とを選択することができることを特徴とするものである。

本発明に係る均一予混合圧縮自着火エンジンにおいては、均一な予混合気を圧縮することで体積着火を実現する。圧縮行程中において、混合気の圧力・温度が上昇するに伴い、低温酸化反応から高温酸化反応に移行し、着火に至る。

均一予混合圧縮自着火エンジンシリンダ内にプラズマ種を生成し、そのプラズマ種に電磁波を照射することでプラズマ種が拡大する。このとき、プラズマ種によって混合気が着火されないように、最小着火エネルギ以下でプラズマ種を生成する必要がある。

シリンダ内において拡大されたプラズマ中には、ＯＨラジカルやＯ２ラジカル等の酸化力の強いラジカルが生成される。このラジカルが混合気の低温酸化反応、高温酸化反応を促進させる。

シリンダ内に拡大されたプラズマ生成時間が長くなれば、ガス温度が上昇する。このプラズマ生成時間を制御することにより、シリンダ内ガス温度を調整することができる。混合気の低温酸化反応、高温酸化反応に至る時間は化学反応速度に依存し、この化学反応速度は混合気温度に依存するため、シリンダ内のガス温度を制御することで着火時期の制御が可能となる。

すなわち、本発明に係る均一予混合圧縮自着火エンジンにおいては、シリンダ内に所定のタイミングでプラズマ生成することにより、着火時期を制御することが可能である。

本発明は、着火時期を制御することができる均一予混合圧縮自着火エンジンを提供することができるものである。

本発明に係る予混合圧縮自着火エンジン１は、図１に示すように、エンジン本体１００と、プラズマ生成部１０２と、マイクロ波放射部１０４と、制御装置１０６と、着火時期信号発生装置１０８とを備えている。

プラズマ生成部１０２により生成されるプラズマのエネルギ密度は、最小着火エネルギ以下であり、このプラズマによる混合気の着火は行われない。プラズマ生成部１０２及びマイクロ波放射部１０４の動作は、制御装置１０６によって決定される。この制御装置１０６は、着火時期信号発信装置１０８から発信される信号が表す着火時期より前の所定のタイミングにて制御信号を発信する。着火時期信号発信装置１０８は、エンジン本体１００の運転状態（エンジン回転数、負荷、スロットル開度、吸入空気量、燃料噴射量など）から最適な着火時期を得る。

プラズマ生成部１０２により生成されるプラズマにマイクロ波照射部１０４によるマイクロ波を照射すると、マイクロ波のエネルギがプラズマに吸収されてプラズマが急速拡大するとともに、ラジカルが生成される。先にマイクロ波をシリンダ内に放射し、放射されたマイクロ波中にプラズマを生成し、プラズマを急速拡大させてもよい。

急速拡大されたプラズマの強度、生成タイミング、生成時間、生成回数は、制御装置１０６から発信される信号を基にしたプラズマ生成部１０２及びマイクロ波照射部１０４の動作により決定される。

図２に示すように、プラズマの生成時間が短い場合は、非平衡プラズマとなりプラズマによるシリンダ内ガス温度の大きな上昇はない。この非平衡プラズマにて生成したラジカルにより、混合気の化学反応を促進させて着火時期の制御が可能である。

また、図３に示すように、拡大したプラズマの強度、生成時間、生成回数を変化させることで、生成するラジカルの量を決定することができる。着火時期信号発信装置１０８によって発信される信号が表す着火時期にて混合気が着火するように、拡大したプラズマにより必要なラジカル量を必要なタイミングで生成させる。

図４に示すように、急速拡大されたプラズマの生成時間がある時間を越えると、熱プラズマとなり、プラズマによるシリンダ内ガス温度が上昇する。この熱プラズマにより、混合気の着火に至るまで温度を上昇させることによって着火時期の制御が可能である。

図５に示すように、拡大したプラズマの強度、生成時間、生成回数を変化させることで、シリンダ内ガス温度を決定することができる。着火時期信号発信装置１０８によって発信される信号が表す着火時期にて混合気が着火するように、拡大したプラズマによりシリンダ内ガス温度を上昇させる。サーマルＮＯｘの発生を抑制するために、ガス温度は１８００°Ｃを超えないようにする。

図６に示すように、予混合圧縮自着火エンジン１のシリンダ内の空間は、シリンダヘッド３０２及びシリンダブロック３０４及び往復運動するピストン３０６にて囲まれている。プラズマ生成部１０２の電極３１４及びマイクロ波放射部１０４のアンテナ３１２を備えたプラグ３０８により、シリンダ内に拡大したプラズマを生成する。

図７に示すように、シリンダヘッド３０２にプラズマ生成部１０２の電極３１４及びマイクロ波放射部１０４のアンテナ３１２を備えたシリンダヘッド３０２を設置し、シリンダヘッド３０２及びシリンダブロック３０４及び往復運動するピストン３０６に囲まれた予混合圧縮自着火エンジン１のシリンダ内の空間に拡大したプラズマを生成する。

図８に示すように、エンジン本体のシリンダヘッドとシリンダブロックの間のヘッドガスケット３１６に、プラズマ生成部１０２の電極３１４及びマイクロ波放射部１０４のアンテナ３１２を備え、シリンダヘッド３０２及びシリンダブロック３０４及び往復運動するピストン３０６に囲まれた予混合圧縮自着火エンジン１のシリンダ内の空間に拡大したプラズマを生成する。電極３１４及びアンテナ３１２は、シリンダ内に生成されるプラズマが均一になるように複数配置することが好ましい。

さらに、図９に示すように（図９の説明だけ明細書中に記載されていない）水分噴射装置３２０はエンジン本体１００のシリンダヘッド３０２に設置され、吸気ポート３１８（図９に記載なし）内に水噴射を行う。水噴射を行うことで非平衡プラズマによるラジカル生成量が増加する。また、水噴射により吸気温度が低下するため熱プラズマによる温度調整範囲が広がる。シリンダヘッド３０２に設置された水分噴射装置３２０により、シリンダ内に直接水を噴射して良い。また、水分噴射装置３２０は吸気ポート３１８上流の吸気管に設置してもよい。

また、エンジン本体１００は、内部ＥＧＲまたは外部ＥＧＲの量を調整する機構を備える。ＥＧＲの量を調整することにより、混合気中の水蒸気量を変化させることができる。水蒸気量を増やすことで、非平衡プラズマによるラジカル生成量が増加する。また、ＥＧＲの量を調整することにより混合気の圧縮前の温度を変化させることができる。ＥＧＲにより、圧縮前の混合気の温度を上昇させることによって拡大したプラズマにより上昇する温度は少なくなり、少ないエネルギですむ。

このエンジンはディーゼルエンジンと同様の構成を持ち、図１０に示すように、プラズマ拡大の動作の有無により、予混合圧縮自着火及びディーゼル着火との選択が可能である。燃料を早期に噴射し、シリンダ内に予混合気を形成し、上記手法により所定のタイミングでシリンダ内にプラズマを拡大することにより、予混合圧縮自着火を実現する。また、プラズマ生成及びマイクロ波の放射を行わずに、燃料噴射を遅角化することにより、ディーゼル着火を実現する。ディーゼル着火時においてもマイクロ波を放射することでプラズマを拡大させ、燃焼促進を図ることができる。

このエンジンは、火花点火機関と同様の構成を持ち、図１１に示すように、プラズマ拡大の動作の有無により、予混合圧縮自着火及び火花点火との選択が可能である。ポート噴射エンジンの場合、排気工程中に燃料を噴射し、吸気行程にて予混合気をシリンダ内に吸気し、上記手法により所定のタイミングでシリンダ内にプラズマを拡大し、予混合圧縮自着火を実現する。また、プラズマ生成及びマイクロ波の放射を行わずに、最小着火エネルギ以上の火花放電を行い、混合気の火花点火を実現する。

また、図１２に示すように、火花着火時にマイクロ波放射を行うことでプラズマを拡大させ、燃焼促進を図ることができる。また、図１３に示すように、予混合圧縮自着火時のプラズマ生成と火花点火時の火花放電生成を同一の電極にて行っても良い。シリンダ内直噴式のエンジンでは、予混合圧縮自着火時は吸気行程初期に燃料を噴射し、シリンダ内に予混合気を形成する。

プラズマ生成部１０２はレーザ発振器を備えて、レーザ光を集光してレーザ誘起プラズマを生成するものであってもよい。

エンジンは、シリンダ内の温度、圧力及び作動流体の流れ、並びに、シリンダ内への燃料の導入、導入する燃料種、及び燃料と空気との混合の度合い、並びに、ＥＧＲ、並びに、着火方式のうち少なくとも一を切替えることにより、均一予混合圧縮自着火モードでの運転を選択的に行うエンジンであってもよい。

この場合、均一予混合圧縮自着火モードでの運転時に、プラズマの生成及び電磁波の発生による着火または燃焼の制御を行うようにしてもよい。

切替により選ばれる運転モードは、火花点火等の強制着火による運転モードであってもよく、また、一般的なディーゼルと同様に拡散火炎による燃焼が行われる運転モードであってもよい。また、成層予混合圧縮自着火モードであってもよい。その他、均一予混合圧縮自着火モードとの切替が可能な運転モードであれば、その種類を問わない。

均一予混合圧縮自着火モード以外の運転モードで運転を行っているときには、プラズマ種の生成、マイクロ波の照射をその運転モードに適した目的で行ってもよい。例えば、プラズマ種の生成を着火のための熱源としてもよい。また、マイクロ波の照射を筒内温度の調整に用いてもよい。また、プラズマ種の生成とマイクロ波照射によるプラズマの拡大成長を利用し、筒内の作動流体の改質や、化学反応の促進を行うようにしてもよい。

なお、このような運転モードの切替及びそれに伴うプラズマの制御は、サイクルごとに適宜行ってもよい。また、エンジンが多気筒エンジンである場合、気筒ごとに運転モードの切替を行ってもよい。

なお、制御装置１０６は、実質的にはＥＣＵ及びＥＣＵに格納されるマップ等のデータ、及び、ＥＣＵ上で動作するプログラム等により実装されていてもよい。また、ＥＣＵとは別に一般的な制御用コンピュータを設け、これにより実現するようにしてもよい。ＥＣＵ自体及びコンピュータ自体の動作及びハードウェア構成については、一般的なものであってよい。

また、電磁波の照射に用いるアンテナは、例えば、ホーンアンテナに代表される開口アンテナであってもよい。ガスの流路の形状及び材質について許容されるならば、ガスの流路自体が導波管、または、開口アンテナを兼ねる構成となってもよい。また、アンテナは、電磁波の発生源に接続されたエレメントからなる輻射器と、輻射器からの電磁波を反射する反射器とを有する構成であってもよい。また、アンテナは、輻射器と輻射器から輻射される電磁波の拠りしろとなるベインまたは共振エレメントを有する構成であってもよい。

電磁波の照射目標となる領域の数と、アンテナの数との関係については、種々の組合せが想定される。電磁波の照射目標となる一の領域の対し、複数アンテナまたはアンテナの複数のエレメントから電磁波を照射するようにしてもよい。また、例えば３／４波長以上の電気長を有するエレメントを備えたアンテナのように空間上に複数の強電場の領域を形成するものであれば、アンテナに対し電磁波の照射目標となる領域を強電場の領域の数に応じて複数設定してもよい。さらに、プラズマの契機となる荷電粒子をそれら設定された複数の領域において準備するようにし、複数の領域で同時にプラズマを形成するようにしてもよい。

本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンの構成を示すブロック図である。本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンにおいて、プラズマの生成時間が短い場合を示すタイムチャートである。本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンにおいて、拡大したプラズマの強度、生成時間、生成回数を変化させた状態を示すタイムチャートである。本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンにおいて、急速拡大されたプラズマの生成時間がある時間を越えた状態を示すタイムチャートである。本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンにおいて、拡大したプラズマの強度、生成時間、生成回数を変化させた状態を示すタイムチャートである。本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンにおけるシリンダ内の構成を示す断面図である。本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンにおけるシリンダ内の構成の他の例を示す断面図である。本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンにおけるシリンダ内の構成のさらに他の例を示す断面図である。本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンにおけるシリンダ内の構成のさらに他の例を示す断面図である。本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンにおいて、予混合圧縮自着火及びディーゼル着火との選択を行う状態を示すタイムチャートである。本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンにおいて、ディーゼル着火を選択した状態を示すタイムチャートである。本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンにおいて、予混合圧縮自着火を選択した状態を示すタイムチャートである。本発明に係る予混合圧縮自着火エンジンにおいて、火花着火を選択した状態を示すタイムチャートである。

１予混合圧縮自着火エンジン
１００エンジン本体
１０２プラズマ生成部
１０４マイクロ波放射部
１０６制御装置
１０８着火時期信号発生装置

Claims

着火時期を制御する均一予混合圧縮自着火エンジンであって、
エンジンシリンダ内に最小着火エネルギ以下のプラズマを生成するプラズマ生成手段と、
プラズマに電磁波を照射する電磁波照射手段と、
前記電磁波照射手段及び前記プラズマ生成手段に発振信号を送る制御装置と、
前記制御装置に着火時期信号を送る着火時期信号発信装置と
を備え、
前記制御装置は、前記着火時期信号が表す着火時期より前の所定のタイミングにおいて、プラズマの生成及び電磁波の照射を行うことによって、シリンダ内にプラズマを生成する
ことを特徴とする均一予混合圧縮自着火エンジン。
前記シリンダ内に生成されるプラズマは非平衡プラズマであり、所定のタイミングにおいて着火に必要な量のラジカルを生成する
ことを特徴とする請求項１記載の均一予混合圧縮自着火エンジン。
前記制御装置は、前記ラジカルを供給するタイミング及び供給量を、電磁波照射及びプラズマ生成の発振パルス数及び発振パルス幅及び発振強度のうち、少なくとも一つを制御することにより決定する
ことを特徴とする請求項２記載の均一予混合圧縮自着火エンジン。
前記シリンダ内に生成されるプラズマは熱プラズマであり、所定のタイミングにおいて着火に必要な温度までシリンダ内ガス温度を上昇させる
ことを特徴とする請求項１記載の均一予混合圧縮自着火エンジン。
前記制御装置は、前記シリンダ内ガス温度上昇タイミング及び上昇ガス温度を、電磁波照射及びプラズマ生成の発振パルス数及び発振パルス幅及び発振強度のうち、少なくとも一つを制御することにより決定する
ことを特徴とする請求項４記載の均一予混合圧縮自着火エンジン。
シリンダガスケットには、少なくとも一つのアンテナ及び少なくとも一つの電極が埋め込まれており、電磁波放射及びプラズマ生成を、該アンテナ及び該電極によって行う
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一に記載の均一予混合圧縮自着火エンジン。
吸気管、または、シリンダ内に水噴射を行う
ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一に記載の均一予混合圧縮自着火エンジン。
内部、または、外部ＥＧＲの量を調整する機構をもつ
ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一に記載の均一予混合圧縮自着火エンジン。
前記プラズマ生成の動作の有無を変更することにより、圧縮着火と均一予混合圧縮着火とを選択する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一に記載の均一予混合圧縮自着火エンジン。
前記プラズマ生成の動作の有無を変更することにより、火花点火と均一予混合圧縮着火とを選択する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一に記載の均一予混合圧縮自着火エンジン。