JP2009221944A - 燃焼室直下流の排気ガス後処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ポートという燃焼室直下流の空間を反応器として用いて排気ガス浄化を行える排気ガス後処理装置を提供する。
【解決手段】排気ポート３２０に露出する電極８１２、８１３を有してシリンダヘッド３００に設けられた放電装置８１０と、バルブヘッド５２２の背面に設けられたアンテナ８２０と、バルブステム５２１に設けられ、一端がアンテナに接続し、他端が絶縁体又は誘電体に覆われてバルブステムにおけるガイド孔３４０に嵌る部位などにある受電部５２１ｃまで延びて受電部に接続する電磁波伝送路８３０と、受電部に電磁波を供給する電磁波発生装置８４０とを備え、放電装置の電極で放電させ、電磁波発生装置から電磁波伝送路を介して供給した電磁波をアンテナから放射するように構成した燃焼室直下流の排気ガス後処理装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の技術分野に属し、排気ポートの燃焼室側の開口を排気バルブで開閉するようにした内燃機関における排気ガス後処理装置に関する。

内燃機関の排気ガスには、気体状成分、ＰＭ（パティキュレートマターのことであり、粒子状物資ともいう）、未燃炭化水素（ＵＢＣ、またはＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、酸化窒素（ＮＯ_x）、二酸化炭素（ＣＯ₂）、水蒸気（Ｈ₂Ｏ）、酸素（Ｏ₂）、窒素（Ｎ₂）などが含まれている。内燃機関のうち、例えばディーゼルエンジンの排気ガスに含まれるＰＭは、一般に、炭素質からなる煤、高沸点炭化水素成分からなる可燃性の有機成分、ミスト状の硫酸成分などを含んだ固体または液体の粒で直径が１０μｍを超えるものを指す。

排気ガスからこれらの成分を除去する排気ガス浄化装置として、例えば特許文献１は、排気通路に設けられたディーゼルパティキュレートフィルタと、このディーゼルパティキュレートフィルタと一体又はこのディーゼルパティキュレートフィルタの上流側に設けられたプラズマ発生装置とを有し、プラズマ発生装置の作用により、ディーゼルパティキュレートフィルタで捕集された排気微粒子の燃焼（酸化）に必要なＮＯ₂ や活性物質（活性酸素）を安定して供給できるようにした放電型排ガス浄化装置を開示している。

特許文献２は、内燃機関の排気管の途中に排気ガスを通気させて浄化する後処理装置を装備した排気浄化装置であって、後処理装置より上流側で排気ガス中に放電してプラズマを発生させるプラズマ発生装置と、このプラズマ発生装置の前段に装備されたフロースルー型の酸化触媒と、この酸化触媒より上流側で排気ガス中に燃料を添加する燃料添加手段と、この燃料添加手段により添加された燃料の上記酸化触媒上での酸化反応を可能ならしめる温度まで排気温度を上げる昇温手段とを備えた排気浄化装置を開示している。この装置を用いると、排気ガス中にプラズマ発生装置で放電して排気ガスを励起させることにより、未燃の炭化水素が活性化したラディカルに、酸素がオゾンに、ＮＯはＮＯ₂になり、これらの排気ガス励起成分が活性化状態となっていることから、従来より低い排気温度領域から後処理装置による排気浄化の効果が得られる。

特許文献３は、排出ガス管路内にパティキュレートフィルタとして構成された排出ガス後処理ユニットを配置し、その上流側にプラズマ反応器として構成された酸化反応器を設け、酸化反応器により、これに流入した排出ガス内に非熱プラズマを発生させ、排出ガス成分から酸化剤を生成し、この酸化剤によりパティキュレートフィルタ内で煤を焼却させ、パティキュレートフィルタを再生させるようにした排出ガス後処理方法及び装置を開示している。

特許文献４には、内燃機関の排気煙道上に、粒子状物質を捕集し得るフィルタ、排気ガス成分を吸着し得る吸着材、及び印加電圧によりプラズマを発生させ得るプラズマ発生器を配設して成る排気ガス浄化装置であって、上記フィルタ及び吸着材に蓄積した粒子状物質及び／又は排気ガス成分を常温から通常パティキュレートが着火しない温度で浄化する排気ガス浄化装置を開示している。この装置を用いると、ディーゼル排気に代表される内燃機関の排気ガスに含まれる有害物質やパティキュレートを排気温度が１５０℃以下の低温条件でも除去可能となる。

特許文献５には、燃焼装置の排気経路上に配設され、ＮＯx吸着剤及び／又は微粒子フィルタを備えた浄化手段と、上記排気経路上に配設されたプラズマ印加手段とを有する排気浄化装置であって、排気中の酸素濃度を検知する酸素濃度検知手段と、上記酸素濃度検知手段により検知された酸素濃度が所定値以上である場合は、上記浄化手段により排気浄化を行わせるとともに、上記浄化手段による吸着量が所定値以上になる場合は上記排気中の酸素濃度を低下させ、かつ、上記プラズマ印加手段を作動させる制御手段とを備えた排気浄化装置を開示している。この装置をボイラ、ガスタービンなどの固定燃焼装置あるいはディーゼル自動車など移動燃焼装置に適用すれば、従来のプラズマ法に比べ、常時電力を必要としないため、低コストで、プラズマ脱着による排ガスの高濃度化により高効率のNOｘとすすの同時除去処理が可能となる。

特許文献６は、リーンバーンエンジン等から排出された、粒子状物質を含む排気ガス中にてプラズマを発生させることにより複数の二酸化窒素および複数のオゾンを生成させ、それら二酸化窒素およびオゾンにより上記粒子状物質を酸化させることを特徴とする、リーンバーンエンジン等の排気ガスに含まれる粒子状物質の低減方法を開示している。

特許文献７は、所定のマイクロ波帯域を発生するマイクロ波発振装置と、所定のマイクロ波帯域を共振するマイクロ波共振空洞と、上記マイクロ波共振空洞内にマイクロ波を放射するマイクロ波放射手段と、上記マイクロ波共振空洞内の気体に対し部分放電して気体をプラズマ化するプラズマ着火手段とを備え、上記マイクロ波放射手段は、排ガスが流れる流路外周に周方向に配置して上記マイクロ波によって形成されるプラズマの生成領域が流路断面一様にマイクロ波による強電界場を形成する形状、寸法を有するマイクロ波放射アンテナである排ガス分解装置を開示している。この装置を用いると、燃焼・反応室での未燃ガスやスス、ＮＯ_x等の排ガスは、プラズマ発生に伴うオゾン、ＯＨラジカルの強酸化力によって炭素−炭素結合、炭素−水素結合を切断し、酸化、ＯＨラジカルによる化学反応によりＮＯ₂、ＣＯ₂などの安定した無害な酸化物や炭素へと排ガス成分を無害化する。

特開２００２−２７６３３３号公報 特開２００４−３５３５９６号公報 特表２００５−５０２８２３号公報 特開２００４−２９３５２２号公報 特開２００６−１３２４８３号公報 特開２００４−１６９６４３号公報 特開２００７−１１３５７０号公報

特許文献１ないし６の技術の場合、パティキュレートフィルタ又はその他の排気ガス浄化装置はレイアウト上、内燃機関の排気通路におけるシリンダヘッドからかなり下流側へ離れた部位に設けられるため、排気ガスが燃焼室から排気ガス浄化装置に到達するまでに排気ガスの温度が低下する。そこで、排気ガス浄化装置の温度を上げて排気ガス浄化装置での排気ガス成分の酸化反応などを促進し、これによって排気ガス浄化の効率を高めることが考えられる。しかし、そのために空燃比をリッチに設定したり、燃焼室下流側での後燃えを過大に行わせると、内燃機関の燃費が悪くなる。

本発明者は、特許文献７に開示された内燃機関における燃焼促進のメカニズムを推定し、それについて一定の知見を得た。それは、まず放電により小規模のプラズマが形成され、これに一定時間マイクロ波を照射すると、このマイクロ波パルスにより上記プラズマが拡大成長し、これによって混合気中の水分から大量のＯＨラジカルやオゾンが短時間で生成され、これらによって空気と燃料との混合気の燃焼反応が促進されるというものである。そして、この大量のＯＨラジカルやオゾンを適切に利用すれば排気ガスの成分の酸化反応を促進できることになる。

本発明は、このような点に着目してなされたものであり、その目的とするところは、排気ポートという燃焼室直下流の空間を反応器として用い、そこで上記したプラズマによるＯＨラジカル及びオゾンの大量生成から引き起こされる燃焼促進のメカニズムを応用して高温の排気ガスに大量のＯＨラジカル及びオゾンを供給することにより排気ガス成分の酸化反応などを促進し、これによって高効率で排気ガス浄化を行える排気ガス後処理装置を提供することにある。

本発明は、燃焼室に接続して排気通路の一部を構成するようにシリンダヘッドに設けられた排気ポートの燃焼室側の開口を、排気ポートからシリンダヘッドの外壁まで貫通するガイド孔にバルブステムが往復自在に嵌まった排気バルブにおける上記バルブステムの先端に設けられたバルブヘッドにより所定タイミングでもって開閉するようにした内燃機関に設けられる燃焼室直下流の排気ガス後処理装置である。この燃焼室直下流の排気ガス後処理装置は、
上記排気ポートに露出する電極を有して上記シリンダヘッドに設けられた放電装置と、
上記バルブヘッドの背面に設けられたアンテナと、
上記バルブステムに設けられ、一端が上記アンテナに接続し、他端が絶縁体又は誘電体に覆われてバルブステムにおけるガイド孔に嵌る部位又はそれよりも上記バルブヘッドから遠い部位にある受電部まで延びて当該受電部に接続する電磁波伝送路と、
この受電部に電磁波を供給する電磁波発生装置とを備え、
放電装置の電極で放電させ、電磁波発生装置から電磁波伝送路を介して供給した電磁波をアンテナから放射するように構成している。

内燃機関の作動時に上記放電装置の電極で放電させ、電磁波発生装置から電磁波伝送路を介して供給した電磁波をアンテナから放射すると、電極の近傍に放電によりプラズマが形成され、このプラズマはアンテナから一定時間供給された電磁波、つまり電磁波パルスからエネルギの供給を受けたプラズマにより大量に生成されたＯＨラジカル及びオゾンにより排気ガスの成分の酸化反応などが促進される。すなわち、電極近傍の電子が加速され、上記プラズマの領域外へ飛び出す。この飛び出した電子は、上記プラズマの周辺領域にある空気、燃料及び空気の混合気などのガスに衝突する。この衝突により周辺領域のガスが電離しプラズマになる。新たにプラズマになった領域内にも電子が存在する。この電子もまた電磁波パルスにより加速され、周辺のガスと衝突する。このようなプラズマ内の電子の加速、電子とガスとの衝突の連鎖により、周辺領域では雪崩式にガスが電離し、浮遊電子が生じる。この現象が放電プラズマの周辺領域に順次波及し、周辺領域がプラズマ化される。以上の動作により、プラズマの体積が増大する。この後、電磁波パルスの放射が終了すると、その時点でプラズマの存在する領域では、電離より再結合が優位になる。その結果、電子密度が低下する。それに伴いプラズマの体積は減少に転じる。そして、電子の再結合が完了すると、プラズマが消滅する。この間に大量に形成されたプラズマにより混合気中の水分などから大量に生成されたＯＨラジカル、オゾンにより排気ガスの成分の酸化反応などが促進される。

その場合、排気ポートという燃焼室直下流の空間を反応器として酸化反応などを行うので、排気ガスが高い温度にあることから、この面からも酸化反応が促進され、プラズマによるＯＨラジカル及びオゾンの大量生成から引き起こされる酸化反応などと相俟って排気ガス浄化の効率が高められる。その場合、空燃比をリッチに設定したり、燃焼室下流側での後燃えを過大に行わせるなどの処理を必すしも要しないので、そのような処理を行わないときには内燃機関の燃費が悪くなることがない。

本発明の燃焼室直下流の排気ガス後処理装置は、
上記アンテナが、バルブヘッドの背面においてバルブステムを取り囲むようにほぼＣ字形に形成され、このアンテナの一端が電磁波伝送路に接続していてもよい。

このようにすれば、アンテナがバルブヘッドの背面にコンパクトに設けられる。

本発明の燃焼室直下流の排気ガス後処理装置は、
上記受電部が上記バルブステム外面に露出しており、
上記シリンダヘッドに設けられ、少なくとも上記バルブヘッドが排気ポートの燃焼室側の開口を閉じたときに上記受電部に近接する誘電体よりなる誘電部材と、
上記シリンダヘッドに設けられ、この誘電部材に対して上記バルブステムと反対側から近接する電気伝導体よりなる給電部材を備え、
この給電部材に電磁波発生装置から電磁波を供給するように構成してもよい。

このようにすれば、電磁波発生装置からの電磁波が、給電部材、誘電部材、及び受電部を介して非接触でもって電磁波伝送路へ伝送される。

本発明の燃焼室直下流の排気ガス後処理装置は、
上記シリンダヘッドには排気ポートからシリンダヘッド外壁まで貫通するバルブガイド装着孔が設けられ、このバルブガイド装着孔に誘電体よりなる筒形のバルブガイドが嵌まり、このバルブガイドの孔によってガイド孔が構成されており、
このバルブガイドにおける、少なくとも上記バルブヘッドが排気ポートの燃焼室側の開口を閉じたときに上記受電部に近接する部位が誘電部材になっていてもよい。

このようにすれば、公知のバルブガイド装着構造を利用することで、電磁波発生装置からの電磁波が非接触でもって電磁波伝送路へ伝送される。

本発明の燃焼室直下流の排気ガス後処理装置は、さらに、
上記シリンダヘッドに、上記排気ポートにおける上記排気バルブ及び電極よりも排気ガス下流側で排気ポートを塞ぐように設けられ、排気ガスを通し且つ排気ガス上流側から排気ガス下流側へ進行する電磁波を減衰させる電磁波漏洩抑止部材を備えていてもよい。

このようにすれば、電磁波は電磁波漏洩抑止部材によって排気ガス下流側への散逸が阻止され、また排気バルブのバルブヘッド背面により或る程度が排気ポートから燃焼室への散逸が阻止され、さらに排気バルブが排気ポートの燃焼室側の開口を閉じると電磁波の排気ポートから燃焼室への散逸は確実に阻止される。そのため、排気ポートという閉鎖空間又はそれに準じた空間が反応器となって排気ガスの成分の酸化反応などが安定的に行われる。

本発明の燃焼室直下流の排気ガス後処理装置は、
上記アンテナに電磁波を供給したときに排気バルブのバルブヘッドの背面の周囲に生じる電磁波の電界強度が大となった部位の近傍に電極が位置づけられていてもよい。

このようにすれば、電極で放電により形成されたプラズマに、近くにあるアンテナからの電磁波パルスが放射されるので、上記プラズマにエネルギが集中的に供給されてＯＨラジカル及びオゾンが効率よく大量に生成される。そのため、排気ガスの成分の酸化反応などが一層促進される。

本発明の燃焼室直下流の排気ガス後処理装置を用いると、排気ポートという燃焼室直下流の空間を反応器として用い、そこで上記したプラズマによるＯＨラジカル及びオゾンの大量生成から引き起こされる燃焼促進のメカニズムを応用して高温の排気ガスに大量のＯＨラジカル及びオゾンを供給するので、排気ガス成分の成分の酸化反応などが促進され、これによって高効率で排気ガス浄化を行うことができる。また、空燃比をリッチに設定したり、燃焼室下流側での後燃えを過大に行わせるなどの処理を必すしも要しないので、そのような処理を行わないときには内燃機関の燃費が悪くなることがない。

アンテナを、バルブヘッドの背面においてバルブステムを取り囲むようにほぼＣ字形に形成し、このアンテナの一端を電磁波伝送路に接続したときは、アンテナをバルブヘッドの背面にコンパクトに設けることができる。

上記受電部を上記バルブステム外面に露出させ、上記シリンダヘッドに誘電部材及び給電部材を設け、この給電部材に電磁波発生装置から電磁波を供給するようにしたときは、電磁波発生装置からの電磁波を非接触でもって電磁波伝送路へ伝送することができる。

誘電体よりなる筒形のバルブガイドを用いれば、公知のバルブガイド装着構造を利用して電磁波発生装置からの電磁波を非接触でもって電磁波伝送路へ伝送することができる。

さらに、電磁波漏洩抑止部材を備えたときは、排気ポートという閉鎖空間又はそれに準じた空間が反応器となって排気ガスの成分の酸化反応などを安定的に行わせることができる。

アンテナに電磁波を供給したときに排気バルブのバルブヘッドの背面の周囲に生じる電磁波の電界強度が大となった部位の近傍に電極を位置づけたときは、上記プラズマにエネルギが集中的に供給されてＯＨラジカル及びオゾンが効率よく大量に生成されるので、排気ガス浄化を一層促進することができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の燃焼室直下流の排気ガス後処理装置を備えた内燃機関Ｅの実施形態を示す。本発明が対象とする内燃機関は往復動機関であるが、この実施形態の内燃機関Ｅは、４サイクルのガソリン機関である。１００はシリンダブロックであって、このシリンダブロック１００には横断面がほぼ円形のシリンダ１１０が貫通して設けられ、このシリンダ１１０には、横断面がシリンダ１１０に対応したほぼ円形の形状をしたピストン２００が往復自在に嵌っている。このシリンダブロック１００の反クランクケース側には、シリンダヘッド３００が組み付けられており、このシリンダヘッド３００と、ピストン２００と、シリンダ１１０とにより、燃焼室４００を形成している。９１０は一端がピストン２００に連結され、他端が出力軸であるクランクシャフト９２０に連結されたコネクティングロッドである。シリンダヘッド３００には、一端が上記燃焼室４００に接続し且つ他端がシリンダヘッド３００の外壁に開口して吸気通路の一部を構成する吸気ポート３１０と、一端が上記燃焼室４００に接続し且つ他端がシリンダヘッド３００の外壁に開口して排気通路の一部を構成する排気ポート３２０が設けられている。シリンダヘッド３００には、吸気ポート３１０からシリンダヘッド３００の外壁まで貫通するガイド孔３３０が設けられ、このガイド孔３３０に吸気バルブ５１０の棒形のバルブステム５１１が往復自在に嵌まっており、カムなどを有する動弁機構（図示省略）によりバルブステム５１１の先端に設けられた傘形のバルブヘッド５１２によって吸気ポート３１０の燃焼室側の開口３１１を所定タイミングでもって開閉するように構成している。また、シリンダヘッド３００には、排気ポート３２０からシリンダヘッド３００の外壁まで貫通するガイド孔３４０が設けられ、このガイド孔３４０に排気バルブ５２０の棒形のバルブステム５２１が往復自在に嵌まっており、カムなどを有する動弁機構（図示省略）によりバルブステム５２１の先端に設けられた傘形のバルブヘッド５２２によって排気ポート３２０の燃焼室側の開口３２１を所定タイミングでもって開閉するように構成している。６００は、電極が燃焼室４００に露出するようにシリンダヘッド３００に設けられた点火プラグであって、ピストン２００が上死点付近にあるときに電極で放電するように構成されている。よって、ピストン２００が上死点と下死点との間を２往復する間に、燃焼室４００において混合気の吸入、圧縮、爆発、及び排気ガスの排気の４つの行程を行うようにしている。しかし、この実施形態によって本発明が対象とする内燃機関が限定解釈されることはない。本発明は２サイクルの内燃機関、ディーゼル機関も対象にしている。対象とするガソリン機関には、燃焼室に吸入した空気に燃焼室で燃料を噴射して混合気を形成する直噴式ガソリン機関も含まれる。また対象とするディーゼル機関には、燃焼室に燃料を噴射する直噴式ディーゼル機関も、副室に燃料を噴射するようにした副室式ディーゼル機関も含まれる。また、この実施形態の内燃機関Ｅは４気筒であるが、これによって本発明が対象とする内燃機関の気筒数が限定解釈されることはない。また、この実施形態の内燃機関は２本の吸気バルブ５１０と２本の排気バルブ５２０を設けているが、これによって本発明が対象とする内燃機関の吸気バルブ又は排気バルブの本数が限定解釈されることはない。７００は、シリンダブロック１００とシリンダヘッド３００との間に装着されたガスケットである。

図２に示すように、上記シリンダヘッド３００には、放電装置８１０が設けられている。この放電装置８１０は、上記排気ポート３２０に露出する電極を有している。この実施形態では、放電装置８１０としてガソリン機関に用いる点火プラグを用いている。この点火プラグは、排気ポート３２０を構成する壁に取り付けられており、排気ポート３２０の外側に配置された接続部８１１と、排気ポート３２０に露出するように設けられ且つ上記接続部８１１に電気的に接続された第１の電極８１２と、第２の電極８１３とを備えており、この第１の電極８１２と第２の電極８１３とが所定の隙間をあけて対向している。第２の電極８１３はシリンダヘッド３００に接触して、これに導通している。放電装置８１０は、放電用の電圧を発生させる放電用電圧発生装置９５０に接続されている。ここでは放電用電圧発生装置９５０は１２Ｖの直流電源であるが、例えば圧電素子又はその他の装置であってもよい。このシリンダヘッド３００を接地接続し、接続部８１１を放電用電圧発生装置９５０に接続し、シリンダへッド３００と接続部８１１との間に電圧を印加すると、第１の電極８１２と第２の電極８１３との間で放電するようになっている。放電装置は、放電により規模の大小を問わずプラズマを形成できるものであればよいので、点火プラグでなくてもよい。また、放電装置の電極と排気ポートを構成する壁、又はその他の接地部材との間で放電させるようにしてもよい。

図２ないし図４に示すように、上記排気バルブ５２０のバルブヘッド５２２の背面には、アンテナ８２０が設けられている。このアンテナ８２０は金属により形成されている。このアンテナは電気伝導体、誘電体、絶縁体などのいずれで形成してもよいが、アンテナと接地部材との間に電磁波を供給したときにアンテナから排気ポート３２０へ電磁波が良好に放射されなければならない。このアンテナ８２０は棒形に形成されて湾曲しており、バルブヘッド５２２の背面においてバルブステム５２１を取り囲むようにほぼＣ字形に形成されており、排気ポート３２０へ電磁波を放射するようになっている。すなわち、アンテナ８２０は、バルブステム５２１の延びる方向からみて、バルブステム５２１を取り囲むようにほぼＣ字形に、つまり一部が欠落した環状形に形成されている。バルブステム５２１におけるガイド孔３４０に嵌る部位の内部は誘電体で形成されて基本部５２１ａを形成し、この基本部５２１ａの外周側におけるガイド孔３４０に嵌る部位が金属で形成されて外周部５２１ｂとなっている。この外周部５２１ｂを金属で形成したのは耐摩擦性及び耐熱性の向上のためであるが、他の材料で形成してもよい。また、バルブステム５２１においてガイド孔３４０に嵌る部位以外の部分まで誘電体で形成してもよい。さらに、バルブヘッド５２２において上記バルブステム５２１の基本部５２１ａに連続する部位は誘電体により形成されて基本部５２２ａとなっている。そして、バルブヘッド５２２の燃焼室側になるバルブフェイス５２２ｂは金属で形成されている。バルブフェイス５２２ｂを金属で形成したのは耐熱性の向上のためであるが、他の材料で形成してもよい。アンテナ８２０は、バルブヘッド５２２の基本部５２２ａの背面に設けられている。ここでは上記誘電体としてセラミックスを用いているが、他の誘電体又は絶縁体で形成してもよい。また、例えば、このアンテナ８２０の長さを電磁波の４分の１波長に設定すると、アンテナ８２０に定在波が生じるので、アンテナ８２０の先端付近で電磁波の電界強度が大になる。さらに、例えば、アンテナ８２０の長さを電磁波の４分の１波長の倍数に設定すると、アンテナ８２０に定在波が生じるため、アンテナ８２０の複数箇所で定在波の腹が生じて電磁波の電界強度が大になる。アンテナ８２０はバルブヘッド５２２のなかに埋まっていてもよい。さらに、上記アンテナ８２０に電磁波を供給したときに排気バルブ５２０のバルブヘッド５２２の背面の周囲に生じる電磁波の電界強度が大になる部位の近傍に上記第１の電極８１２と第２の電極８１３とが位置づけられている。ここではアンテナ８２０の先端が第１の電極８１２と第２の電極８１３とに接近するように配置されている。よって、アンテナ８２０と接地部材であるシリンダヘッド３００との間に電磁波を供給すると、アンテナ８２０から排気ポート３２０へ電磁波を放射するようになっている。そして、このアンテナ８２０の一端が次に説明する電磁波伝送路８３０に接続している。この実施形態の場合、上記アンテナ８２０は棒形のモノポールアンテナであり、そのなかでも湾曲したものであるが、本発明の排気ガス後処理装置のアンテナは、これに限定されない。したがって、本発明の排気ガス後処理装置のアンテナは、例えば、ダイポールアンテナ、八木・宇田アンテナ、単線給電アンテナ、ループアンテナ、位相差給電アンテナ、接地アンテナ、非接地型垂直アンテナ、ビームアンテナ、水平偏波全方向性アンテナ、コーナーアンテナ、くし形アンテナ、若しくはその他の線形アンテナ、マイクロストリップアンテナ、板形逆Ｆアンテナ、若しくはその他の平面アンテナ、スロットアンテナ、パラボラアンテナ、ホーンアンテナ、ホーンリフレクタアンテナ、カセグレンアンテナ、若しくはその他の立体アンテナ、ビバレージアンテナ、若しくはその他の進行波アンテナ、スター型ＥＨアンテナ、ブリッジ型ＥＨアンテナ、若しくはその他のＥＨアンテナ、バーアンテナ、微小ループアンテナ、若しくはその他の磁界アンテナ、又は誘電体アンテナであってもよい。

図３に示すように、上記排気バルブ５２０のバルブステム５２１には電磁波伝送路８３０が設けられている。この電磁波伝送路８３０は銅線により形成されている。電磁波伝送路８３０は電気伝導体、誘電体、絶縁体などのいずれで形成してもよいが、接地部材との間に電磁波を供給したときにアンテナ８２０へ電磁波が良好に伝送されなければならない。電磁波伝送路の変形例の一つとして、電気伝導体又は誘電体により形成された導波管よりなる電磁波伝送路がある。バルブステム５２１におけるガイド孔３４０に嵌る部位には受電部５２１ｃが設けられている。この受電部５２１ｃは電気伝導体、誘電体、絶縁体などのいずれで形成してもよい。ここでは受電部５２１ｃはバルブステム５２１の外周部に設けているが、内部に設けてもよい。ただし、受電部５２１ｃの形状及び材質は、後述のとおり給電部材８６０との結合方式により選ばれる。この受電部はバルブステムにおけるガイド孔に嵌る部位よりも上記バルブヘッドから遠い部位に設けてもよい。この電磁波伝送路８３０は、一端が上記アンテナ８２０に接続し、他端が絶縁体又は誘電体に覆われてバルブステム５２１におけるガイド孔３４０に嵌る部位にある受電部５２１ｃまで延びて当該受電部５２１ｃに接続している。ここでは電磁波伝送路８３０はバルブステム５２１の基本部５２１ａのなかを延びているので、電磁波伝送路８３０の他端は誘電体に覆われて受電部５２１ｃまで延びていることになる。しかし、基本部が絶縁体により形成されたときは、電磁波伝送路の他端は絶縁体に覆われて受電部まで延びていることになる。よって、受電部５２１ｃとシリンダヘッド３００などの接地部材との間に電磁波を供給すると、電磁波をアンテナ８２０に導くようになっている。

内燃機関Ｅ又はその周辺には、上記受電部５２１ｃに電磁波を供給する電磁波発生装置８４０が設けられている。この電磁波発生装置８４０は電磁波を発生するが、この実施形態の電磁波発生装置８４０は、２．４５ＧＨｚ帯のマイクロ波を発生するマグネトロンである。しかし、これによって本発明の排気ガス後処理装置の電磁波発生装置の構成は限定解釈されない。

図２及び図３に示すように、上記受電部５２１ｃは上記排気バルブ５２０における上記バルブステム５２１の外面に露出している。シリンダヘッド３００には誘電部材８５０と給電部材８６０とが設けられている。誘電部材８５０はセラミックにより形成され、少なくとも上記排気バルブ５２０における上記バルブヘッド５２２が排気ポート３２０の燃焼室側の開口を閉じたときに上記受電部５２１ｃに近接する。誘電部材は誘電体により形成されておればよい。また、給電部材８６０は金属により形成され、上記誘電部材８５０に対して上記排気バルブ５２０におけるバルブステム５２１と反対側から近接する。給電部材８６０は電気伝導体より形成されておればよい。誘電部材８５０を介した給電部材８６０と受電部５２１ｃとの間での電磁波のやり取りは、電界結合式（容量式）、磁界結合式（誘導式）のいずれの方式であってもよい。給電部材８６０と受電部５２１と形状及び材質は、その方式に応じて選択すればよい。例えば電界結合式を用いるならば、給電部材８６０と受電部５２１ｃとには、対向する板状の電気伝導体を選択すればよい。または給電部材８６０と受電部５２１ｃとにそれぞれ、電磁波発生装置８４０の発生する電磁波に対し所定の利得を有する電界アンテナを選択すればよい。磁界結合式を用いるならば、給電部材８６０と受電部５２１ｃとには、コイル状の電気伝導体を選択すればよい。または給電部材８６０と受電部５２１ｃとにそれぞれ、電磁波発生装置８４０の発生する電磁波に対し所定の利得を有する磁界アンテナを選択すればよい。そして、この給電部材８６０に上記電磁波発生装置８４０の出力信号が入れられていて、電磁波発生装置８４０から電磁波を供給するようになっている。

図２に示すように、上記シリンダヘッド３００には排気ポート３２０からシリンダヘッド３００の外壁まで貫通するバルブガイド装着孔３５０が設けられ、このバルブガイド装着孔３５０にセラミックスよりなる筒形のバルブガイド３６０が嵌まり、このバルブガイド３６０の孔によってガイド孔３４０が構成されている。バルブガイドは誘電体であればよい。そして、このバルブガイド３６０における、少なくとも上記排気バルブ５２０におけるバルブヘッド５２２が排気ポート３２０の燃焼室側の開口を閉じたときに上記受電部５２１ｃに近接する部位が誘電部材８５０になっている。

さらに、上記シリンダヘッド３００には電磁波漏洩抑止部材８７０が設けられている。この電磁波漏洩抑止部材８７０は、上記排気ポート３２０における上記排気バルブ５２０並びに第１の電極８１２及び第２の電極８１３よりも排気ガス下流側で排気ポート３２０を塞ぐように設けられている。この電磁波漏洩抑止部材８７０は、排気ガスを通し且つ排気ガス上流側から排気ガス下流側へ進行する電磁波を減衰させる機能を発揮する。ここでいう減衰は反射と吸収との二つの概念を含んでいる。したがって、この電磁波漏洩抑止部材８７０は、排気ガスを通し且つ排気ガス上流側から排気ガス下流側へ進行する電磁波を排気ガス上流側へ反射し又は吸収する機能を発揮する。ここでは、金属製の網である金網により電磁波漏洩抑止部材８７０を構成している。所定のメッシュの金網を排気ポート３２０の通路断面形状にあわせて成形し、その周縁を排気ポート３２０を構成する壁に接続している。この金網は排気ガスを通し且つ排気ガス上流側から排気ガス下流側へ進行する電磁波を減衰させる。これに代えて、筒形の部材を複数束ねて電磁波漏洩抑止部材を構成し、これを筒の孔が排気ガス流の方向に向くように排気ポートに挿入して壁に固定してもよい。このパイプ群も排気ガスを通し且つ排気ガス上流側から排気ガス下流側へ進行する電磁波を減衰させる。

そして、この排気ガス後処理装置は、放電装置８１０の第１の電極８１２と第２の電極８１３とで放電させ、電磁波発生装置８４０から電磁波伝送路８３０を介して供給した電磁波をアンテナ８２０から放射するように構成している。シリンダブロック１００、又はシリンダヘッド３００は接地されており、放電用電圧発生装置９５０及び電磁波発生装置８４０の接地端子は接地されている。そして、放電用電圧発生装置９５０及び電磁波発生装置８４０の作動は制御装置８８０により制御される。制御装置８８０はＣＰＵ、メモリ、記憶装置などを備えており、入力信号を演算処理して制御用信号を出力する。この制御装置８８０にはクランクシャフト９２０のクランク角を検出するクランク角検出装置８９０の信号線が接続され、このクランク角検出装置８９０から制御装置８８０へクランクシャフト９２０のクランク角の検出信号が送られてくる。よって、制御装置８８０はクランク角検出装置８９０からの信号を受け、放電装置８１０及び電磁波発生装置８４０の作動を制御する。しかし、これによって本発明の排気ガス後処理装置の制御方法及び信号入出力の構成は限定解釈されない。

従って、内燃機関Ｅの作動時に上記放電装置８１０の第１の電極８１２と第２の電極８１３とで放電させ、電磁波発生装置８４０から電磁波伝送路８３０を介して供給した電磁波をアンテナ８２０から放射すると、第１の電極８１２及び第２の電極８１３の近傍に放電によりプラズマが形成され、このプラズマはアンテナ８２０から一定時間供給された電磁波、つまり電磁波パルスからエネルギの供給を受けたプラズマにより大量に生成されたＯＨラジカル及びオゾンにより排気ガスの成分の酸化反応などが促進される。すなわち、第１の電極８１２及び第２の電極８１３の近傍の電子が加速され、上記プラズマの領域外へ飛び出す。この飛び出した電子は、上記プラズマの周辺領域にある空気、燃料及び空気の混合気などのガスに衝突する。この衝突により周辺領域のガスが電離しプラズマになる。新たにプラズマになった領域内にも電子が存在する。この電子もまた電磁波パルスにより加速され、周辺のガスと衝突する。このようなプラズマ内の電子の加速、電子とガスとの衝突の連鎖により、周辺領域では雪崩式にガスが電離し、浮遊電子が生じる。この現象が放電プラズマの周辺領域に順次波及し、周辺領域がプラズマ化される。以上の動作により、プラズマの体積が増大する。この後、電磁波パルスの放射が終了すると、その時点でプラズマの存在する領域では、電離より再結合が優位になる。その結果、電子密度が低下する。それに伴いプラズマの体積は減少に転じる。そして、電子の再結合が完了すると、プラズマが消滅する。この間に大量に形成されたプラズマにより混合気中の水分などから大量に生成されたＯＨラジカル、オゾンにより排気ガスの成分の酸化反応などが促進される。

その場合、排気ポート３２０という燃焼室４００の直下流の空間を反応器として排気ガスの成分の酸化反応などを行うので、排気ガスが高い温度にあることから、この面からも酸化反応が促進され、プラズマによるＯＨラジカル及びオゾンの大量生成から引き起こされる酸化反応などと相俟って排気ガス浄化の効率が高められる。その場合、空燃比をリッチに設定したり、燃焼室下流側での後燃えを過大に行わせるなどの処理を必すしも要しないので、そのような処理を行わないときには内燃機関の燃費が悪くなることがない。

本発明の燃焼室直下流の排気ガス後処理装置は、アンテナの形状又は構造を限定しない。そのような種々の実施形態のなかで、第１実施形態の排気ガス後処理装置は、上記アンテナ８２０を、排気バルブ５２０のバルブヘッド５２２の背面においてバルブステム５２１を取り囲むようにほぼＣ字形に形成し、このアンテナ８２０の一端を電磁波伝送路８３０に接続した。このようにすれば、アンテナ８２０をバルブヘッド５２２の背面にコンパクトに設けられる。

本発明の燃焼室直下流の排気ガス後処理装置は、電磁波発生装置から電磁波伝送路へ電磁波を伝送するための構造を限定しない。そのような種々の実施形態のなかで、第１実施形態の排気ガス後処理装置は、上記受電部５２１ｃが上記排気バルブ５２０のバルブステム５２１の外面に露出しており、上記シリンダヘッド３００に設けられ、少なくとも上記排気バルブ５２０のバルブヘッド５２２が排気ポート３２０の燃焼室側の開口を閉じたときに上記受電部５２１ｃに近接する誘電体よりなる誘電部材８５０と、上記シリンダヘッド３００に設けられ、この誘電部材８５０に対して上記バルブステム５２１と反対側から近接する電気伝導体よりなる給電部材８６０を備え、この給電部材８６０に電磁波発生装置８４０から電磁波を供給するように構成した。このようにすれば、電磁波発生装置８４０からの電磁波が、給電部材８６０、誘電部材８５０、及び受電部５２１ｃを介して非接触でもって電磁波伝送路８３０へ伝送される。

本発明の燃焼室直下流の排気ガス後処理装置は、ガイド孔付近の構造を限定しない。そのような種々の実施形態のなかで、第１実施形態の排気ガス後処理装置は、上記シリンダヘッド３００に排気ポート３２０からシリンダヘッド３００の外壁まで貫通するバルブガイド装着孔３５０を設け、このバルブガイド装着孔３５０に誘電体よりなる筒形のバルブガイド３６０を嵌め、このバルブガイド３６０の孔によってガイド孔３４０を構成し、このバルブガイド３６０における、少なくとも上記バルブヘッド５２２が排気ポート３２０の燃焼室側の開口を閉じたときに上記受電部５２１ｃに近接する部位を誘電部材とした。このようにすれば、公知のバルブガイド装着構造を利用することで、電磁波発生装置８４０からの電磁波が非接触でもって電磁波伝送路８３０へ伝送される。

本発明は、排気ポートに電磁波漏洩抑止部材を設けない排気ガス後処理装置の実施形態を含んでいる。そのような種々の実施形態のなかで、第１実施形態の排気ガス後処理装置は、上記シリンダヘッド３００に、上記排気ポート３２０における上記排気バルブ５２０並びに第１の電極８１２及び第２の電極８１３よりも排気ガス下流側で排気ポート３２０を塞ぐように設けられ、排気ガスを通し且つ排気ガス上流側から排気ガス下流側へ進行する電磁波を減衰させる電磁波漏洩抑止部材８７０を備えている。このようにすれば、電磁波は電磁波漏洩抑止部材８７０によって排気ガス下流側への散逸が阻止され、また排気バルブ５２０のバルブヘッド５２２の背面により或る程度が排気ポート３２０から燃焼室４００への散逸が阻止され、さらに排気バルブ５２０が排気ポート３２０の燃焼室側の開口を閉じると電磁波の排気ポート３２０から燃焼室４００への散逸は確実に阻止される。そのため、排気ポート３２０という閉鎖空間又はそれに準じた空間が反応器となって排気ガスの成分の酸化反応などが安定的に行われる。

本発明の燃焼室直下流の排気ガス後処理装置は、アンテナと電極との位置関係を限定しない。そのような種々の実施形態のなかで、第１実施形態の燃焼室直下流の排気ガス後処理装置は、上記アンテナ８２０に電磁波を供給したときに排気バルブ５２０のバルブヘッド５２２の背面の周囲に生じる電磁波の電界強度が大になる部位の近傍に第１の電極８１２及び第２の電極８１３を位置づけた。このようにすれば、第１の電極８１２及び第２の電極８１３で放電により形成されたプラズマに、近くにあるアンテナ８２０からの電磁波パルスが放射されるので、上記プラズマにエネルギが集中的に供給されてＯＨラジカル及びオゾンが効率よく大量に生成される。そのため、排気ガスの成分の酸化反応などが一層促進される。

次に、本発明の燃焼室直下流の排気ガス後処理装置の第２実施形態を説明する。この第２実施形態の排気ガス後処理装置は、排気バルブ５２０の構成のみが第１実施形態の排気ガス後処理装置と異なっている。第１実施形態の排気ガス後処理装置の排気バルブ５２０では、バルブステム５２１におけるガイド孔３４０に嵌る部位の内部を基本部５２１ａとして誘電体又は絶縁体で形成し、この基本部５２１ａの外周側におけるガイド孔３４０に嵌る部位を外周部５２１ｂとして金属で形成した。これに対し、図５に示すように、第２実施形態の排気ガス後処理装置の排気バルブ５２０では、基本部５２１ａも外周部５２１ｂも一体的に構成し、これを誘電体又は絶縁体で形成した。このようにすれば、バルブステム５２１の直径が同じであれば誘電体又は絶縁体が閉める容積が大きくなる。そのため、第１実施形態と第２実施形態とで電磁波伝送路８３０のインピーダンスを同レベルに設定する場合、第２実施形態の電磁波伝送路８３０の断面積を大きく設定することができるので、電磁波伝送路８３０の伝送効率が上がる。その他の作用及び効果は第１実施形態の排気ガス後処理装置の場合と同様である。

本発明の燃焼室直下流の排気ガス後処理装置では、一対の電極、又は電極及びこれと対をなす接地部材は、誘電体により被覆されていてもよい。この場合、電極間又は電極と設置部材の間に印加された電圧によって、誘電体バリア放電が行われる。誘電体バリア放電では、電極又は接地部材を覆う誘電体表面に電荷が蓄積され放電が制限されるため、放電はごく短時間に且つごく小規模に行われる。放電が短期間で終了するため周辺部の熱化が起こらない。すなわち電極間での放電によるガスの温度上昇が低減する。ガスの温度上昇の低減は、内燃機関でのＮＯ_Xの発生量低減に資する。

本発明は、以上の実施形態の特徴を組み合わせた実施形態を含んでいる。また、以上の実施形態は本発明の燃焼室直下流の排気ガス後処理装置のいくつかの例を示したに過ぎない。したがって、これらの実施形態の記載によって本発明の燃焼室直下流の排気ガス後処理装置が限定解釈されることはない。

本発明の第１実施形態の燃焼室直下流の排気ガス後処理装置を備えた実施形態の内燃機関の燃焼室付近における縦断面図である。 本発明の第１実施形態の燃焼室直下流の排気ガス後処理装置を備えた実施形態の内燃機関の排気ポート付近における拡大した縦断面図である。 本発明のの第１実施形態の燃焼室直下流の排気ガス後処理装置で用いた排気バルブの拡大した縦断面図である。 本発明のの第１実施形態の燃焼室直下流の排気ガス後処理装置で用いた排気バルブをバルブステムの先端からバルブヘッドに向かってみた拡大図である。 本発明のの第２実施形態の燃焼室直下流の排気ガス後処理装置で用いた排気バルブの拡大した縦断面図である。

符号の説明

Ｅ 内燃機関
１００ シリンダブロック
１１０ シリンダ
２００ ピストン
３００ シリンダヘッド
３２０ 排気ポート
３２１ 開口
３４０ ガイド孔
３５０ バルブガイド装着孔
３６０ バルブガイド
４００ 燃焼室
５２０ 排気バルブ
５２１ バルブステム
５２１ａ 基本部
５２１ｂ 外周部
５２１ｃ 受電部
５２２ バルブヘッド
５２２ａ 基本部
５２２ｂ バルブフェイス
８１０ 放電装置
８１２ 第１の電極
８１３ 第２の電極
８２０ アンテナ
８３０ 電磁波伝送路
８４０ 電磁波発生装置
８５０ 誘電部材
８６０ 給電部材
８７０ 電磁波漏洩抑止部材

Claims (6)

1. 燃焼室に接続して排気通路の一部を構成するようにシリンダヘッドに設けられた排気ポートの燃焼室側の開口を、排気ポートからシリンダヘッドの外壁まで貫通するガイド孔にバルブステムが往復自在に嵌まった排気バルブにおける上記バルブステムの先端に設けられたバルブヘッドにより所定タイミングでもって開閉するようにした内燃機関に設けられる燃焼室直下流の排気ガス後処理装置であって、
   上記排気ポートに露出する電極を有して上記シリンダヘッドに設けられた放電装置と、
   上記バルブヘッドの背面に設けられたアンテナと、
   上記バルブステムに設けられ、一端が上記アンテナに接続し、他端が絶縁体又は誘電体に覆われてバルブステムにおけるガイド孔に嵌る部位又はそれよりも上記バルブヘッドから遠い部位にある受電部まで延びて当該受電部に接続する電磁波伝送路と、
   この受電部に電磁波を供給する電磁波発生装置とを備え、
   放電装置の電極で放電させ、電磁波発生装置から電磁波伝送路を介して供給した電磁波をアンテナから放射するように構成した燃焼室直下流の排気ガス後処理装置。
2. 上記アンテナが、バルブヘッドの背面においてバルブステムを取り囲むようにほぼＣ字形に形成され、このアンテナの一端が電磁波伝送路に接続している請求項１の燃焼室直下流の排気ガス後処理装置。
3. 上記受電部が上記バルブステム外面に露出しており、
   上記シリンダヘッドに設けられ、少なくとも上記バルブヘッドが排気ポートの燃焼室側の開口を閉じたときに上記受電部に近接する誘電体よりなる誘電部材と、
   上記シリンダヘッドに設けられ、この誘電部材に対して上記バルブステムと反対側から近接する電気伝導体よりなる給電部材を備え、
   この給電部材に電磁波発生装置から電磁波を供給するように構成した請求項１又は請求項２の燃焼室直下流の排気ガス後処理装置。
4. 上記シリンダヘッドには排気ポートからシリンダヘッド外壁まで貫通するバルブガイド装着孔が設けられ、このバルブガイド装着孔に誘電体よりなる筒形のバルブガイドが嵌まり、このバルブガイドの孔によってガイド孔が構成されており、
   このバルブガイドにおける、少なくとも上記バルブヘッドが排気ポートの燃焼室側の開口を閉じたときに上記受電部に近接する部位が誘電部材になっている請求項３の燃焼室直下流の排気ガス後処理装置。
5. 請求項１の燃焼室直下流の排気ガス後処理装置において、さらに、
   上記シリンダヘッドに、上記排気ポートにおける上記排気バルブ及び電極よりも排気ガス下流側で排気ポートを塞ぐように設けられ、排気ガスを通し且つ排気ガス上流側から排気ガス下流側へ進行する電磁波を減衰させる電磁波漏洩抑止部材を備えている請求項１ないし請求項４のうちいずれか１項の燃焼室直下流の排気ガス後処理装置。
6. 上記アンテナに電磁波を供給したときに排気バルブのバルブヘッドの背面の周囲に生じる電磁波の電界強度が大となった部位の近傍に電極が位置づけられている請求項１ないし請求項５のうちいずれか１項の燃焼室直下流の排気ガス後処理装置。

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