JP2009287549A - 圧縮着火内燃機関、グロープラグ及びインジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ波照射により形成されるプラズマを利用した実用的なディーゼルエンジンを提供する。
【解決手段】圧縮された酸化性ガスの存在する燃焼室内にインジェクタより燃料を噴射し、該燃料を圧縮着火させる圧縮着火内燃機関であって、燃焼室内に一、または、複数のアンテナを有し、かつ前記燃焼室内の酸化性ガス、または、水分と、荷電粒子とがともに存在するときに、該酸化性ガス及び荷電粒子が存在する空間に前記アンテナを用いて電磁波の照射を行い、荷電粒子にエネルギを供給することにより、空間にプラズマを発生させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマを用いて燃焼を改善したディーゼルエンジン等の圧縮着火内燃機関に関し、また、そのためのグロープラグ及びインジェクタに関する。

ディーゼルエンジンに代表される圧縮着火内燃機関は、空気など燃料との反応に供されるガスを高圧に圧縮し、高温高圧となった雰囲気中に燃料を導入し燃料を拡散させ、いわゆる混合気を形成するとともに該混合気を自己着火させる内燃機関である。圧縮着火内燃機関は、原理上さまざまな種類の燃料を用いることができるため、低公害エンジンとして、近年その価値が見直されつつある。しかし、ディーゼルエンジンにおいては、燃焼が最適な条件で行われなかった場合に大気汚染の原因物質が大量発生するという問題がある。例えば、急激に負荷がかかった場合に燃焼反応が不完全になり、粒子状物質（Particulate Matter：ＰＭ）が生じる。一方、燃焼反応を完全に行おうとすると燃焼温度が高くなり、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）が生じることがある。また、ディーゼルエンジンにおいては、高温高圧の空気中にインジェクタを用いて燃料を噴射させることによって着火を行うが、その着火遅れ時間、火炎の広がり、排ガス生成量、または、温度上昇部の均一性を制御することが原理上困難であった。

さらに、ディーゼルエンジンにおいては、燃料を着火させるのに必要な熱エネルギを筒内の空気の断熱圧縮によって得るため、圧縮行程において火花点火方式のエンジンより空気を高圧圧縮しなければならず、その分圧縮行程で必要となるエネルギが火花点火より大きかった。

このようなディーゼルエンジンの問題をはじめとする圧縮着火内燃機関の燃焼に関する諸問題を解決する手法として、例えば、燃焼室を囲う部材の形状を燃焼室内の作動流体にスキッシュ流、スワール、または、タンブルを生じさせる形状とし、スキッシュ流、スワール、または、タンブルによって混合気の形成を促進する技術が広く知られている。

また、例えば、コモンレール方式と呼ばれる手法がある。これは、レールと呼ばれるパイプ内で燃料を与圧しておき、インジェクタに設けられた電気式バルブの開弁によって燃料噴霧を行う方式である。ポンプから燃料噴霧の機能を切り離したため、１８０ＭＰａを超えるような高い開弁圧の燃料与圧と複数回に亘る噴霧等の高度な噴霧制御が可能となり、高速の燃料噴流による支燃剤・燃料の混合時間短縮効果と、高度な噴霧制御とにより、ＮＯ_Ｘ、ＰＭ等の抑制が可能になるとされている。

また、圧縮着火内燃機関の燃焼に関する諸問題を解決する手法としてプラズマを利用した燃焼促進が注目されている。

特許文献１には、プラズマを利用する手法による典型的な燃焼促進技術が開示されている。特許文献１に記載されたディーゼルエンジンは、燃焼室内に放電電極を備えている。この放電電極は、自己着火による燃焼の際に、コロナ放電によってプラズマを形成する。そして、このディーゼルエンジンにおいては、プラズマにより燃料を帯電させ、イオン化することによって、燃焼を促進する。

また、本発明者らは、特許文献２に記載されているように、自己着火式の内燃機関における混合気の燃焼をマイクロ波の照射によって促進させる技術を開発した。この技術においては、燃焼・反応領域内にマイクロ波を照射し、燃焼・反応領域における混合気中の水分から多量のＯＨラジカル、オゾン（Ｏ_３）を発生させる。そして、自己着火させる手段が混合気を着火させ、多量のＯＨラジカル、オゾンによって、燃焼・反応領域における混合気の燃焼を促進させるようになっている。

特開２００１−３１７３６０公報 特開２００７−１１３５７０公報

コモンレール方式のインジェクションシステム（以下、「コモンレールシステム」と呼ぶ。）においては、火炎拡大効果を得るために前述したような高い開弁圧で噴霧を行うための堅牢かつ高精度の与圧機構及び噴霧機構を要する。そのためコモンレールシステムは、自ら高価となり普及の妨げとなっている。

特許文献１に記載されたディーゼルエンジンのように、電極によってプラズマを形成する場合には、以下の問題が生じる。すなわち、プラズマの形成される領域が、陰極と陽極との距離に依存して決定される。プラズマを大規模化するには、陰極と陽極との距離を長くしなければならない。陰極と陽極との距離を長くすると、陰極と陽極との間に高い電圧を印加しなければならない。すなわち、投入エネルギが大きくなる。このような大エネルギで形成されたプラズマは、それ自体が高温の着火源となってしまう。このような機関は、自己着火式の内燃機関とは呼べないばかりでなく、自己着火で燃焼反応を開始させる内燃機関が本来備えるべき利点を損ねてしまう。

これに対し、特許文献２に記載の技術は、アンテナからのマイクロ波照射によりプラズマを形成するため、前述のような問題が発生しない。それゆえに、この方式での圧縮着火内燃機関の実用化が求められている。

本発明は、前述の実情に鑑みて提案されるものであって、その目的は、マイクロ波照射により形成されるプラズマを利用した実用的な圧縮着火内燃機関を提供することにある。

前述の課題を解決し、前記目的を達成するため、本発明に係る圧縮着火内燃機関は、以下のいずれか一の構成を有する。

〔構成１〕
燃料との反応に供されるガスが圧縮されて存在する燃焼室内にインジェクタより燃料を噴射し、該燃料を圧縮着火させる圧縮着火内燃機関であって、燃焼室内に一、または、複数のアンテナを有し、かつ燃焼室内の燃料との反応に供されるガス、または、水分と、荷電粒子とがともに存在するときに、該燃料との反応に供されるガス及び荷電粒子が存在する空間に前記アンテナを用いて電磁波の照射を行い、前記荷電粒子にエネルギを供給することにより、前記空間にプラズマを発生させることを特徴とするものである。

〔構成２〕
構成１を有する圧縮着火内燃機関であって、インジェクタより噴射される燃料の状況に応じて、前記電磁波の照射によりその時点での該状況に対応する空間分布の電場を、アンテナを用いて形成することを特徴とするものである。

〔構成３〕
構成２を有する圧縮着火内燃機関であって、さらに、燃焼室内に荷電粒子を準備するための手段を有し、燃料の着火前において、プラズマを発生させて燃料との反応に供されるガスの化学活性、または、化学反応性を高めることにより、混合気形成、着火遅れ時間、火炎の広がり、排ガス生成量、または、温度上昇部の均一性を制御することを特徴とするものである。

〔構成４〕
構成３を有する圧縮着火内燃機関であって、供給するための手段は、放電、レーザ誘起ブレイクダウン、摩擦、衝撃及び化学反応からなるプラズマの生成手法の群より選ばれた一、または、複数の生成手法により、荷電粒子を供給することを特徴とするものである。

〔構成５〕
構成３を有する圧縮着火内燃機関であって、準備するための手段は、熱電子を準備することを特徴とするものである。

〔構成６〕
構成２乃至構成５のいずれか一を有する圧縮着火内燃機関であって、インジェクタより燃料が噴射されるときに、アンテナを用いて電磁波の照射を行い、燃料の噴流の近辺の空間に強電場を形成し、燃料の噴流の近辺の空間内の荷電粒子にエネルギを供給することにより、空間にプラズマを発生させることを特徴とするものである。

〔構成７〕
構成２乃至構成５のいずれか一を有する圧縮着火内燃機関において、インジェクタより燃料が噴射されたときに、アンテナを用いて電磁波の照射を行い、燃料の噴流の終端付近の空間に強電場を形成し、燃料の噴流の終端付近の空間内の荷電粒子にエネルギを供給することにより、前記空間にプラズマを発生させることを特徴とするものである。

〔構成８〕
構成２乃至構成５のいずれか一を有する圧縮着火内燃機関であって、インジェクタより燃料が噴射されるときに、アンテナを用いて電磁波の照射を行い、少なくとも燃料の噴流の流線上の所定点を含む空間に強電場を形成し、空間内の荷電粒子にエネルギを供給することにより、空間にプラズマを発生させることを特徴とするものである。

〔構成９〕
構成８を有する圧縮着火内燃機関であって、アンテナを用いた電磁波の照射による強電場の形成は、燃料の噴流のうち燃料が霧状、液状、液滴状、コロイド状、粒子状液体、または、粒子状固体の少なくともいずれか一を含有する流れで通過する空間において行うことを特徴とするものである。

〔構成１０〕
構成８を有する圧縮着火内燃機関であって、アンテナを用いた電磁波の照射による強電場の形成は、インジェクタより噴射される燃料の噴流が燃焼室壁面、または、ピストンチャンバ内面付近の空間に到達するときに行い、燃焼室壁面付近の空間、または、ピストンチャンバ内面付近の空間において行うことを特徴とするものである。

〔構成１１〕
構成２乃至構成５のいずれか一を有する圧縮着火内燃機関において、インジェクタは、複数のノズルを有しており、ノズルの各々より噴射される燃料に対し、予め定められた順序でプラズマの発生を行うことを特徴とするものである。

〔構成１２〕
構成８を有する圧縮着火内燃機関であって、燃焼室には、スキッシュ流、スワール、または、タンブルが発生し、アンテナを用いた電磁波の照射による強電場の形成は、スキッシュ流、スワール、または、タンブルにより燃料を含有する作動流体に流れ、または、乱れが生じるときに、該流れ、または、乱れが生じる空間において行うことを特徴とするものである。

〔構成１３〕
構成２乃至構成５のいずれか一を有する圧縮着火内燃機関であって、インジェクタは、吸気行程終了時点から圧縮着火に供される燃料の噴射時点までに、少なくとも１回燃料の事前噴射を行い、インジェクタより燃料が事前噴射されるときに、アンテナを用いて電磁波の照射を行い、燃料の噴流の近辺の空間に強電場を形成し、燃料の噴流の近辺の空間内の荷電粒子にエネルギを供給することにより、空間にプラズマを発生させることを特徴とするものである。

〔構成１４〕
構成１３を有する圧縮着火内燃機関であって、プラズマの発生により、事前噴射された燃料を着火させることを特徴とするものである。

〔構成１５〕
構成６乃至構成１４のいずれか一を有する圧縮着火内燃機関であって、インジェクタは、複数のノズルを有しており、電磁波の照射は、複数のノズルからの複数の噴流に挟まれた空間に向けて行うことを特徴とするものである。

〔構成１６〕
構成２乃至構成１５のいずれか一を有する圧縮着火内燃機関であって、着火後において、燃料との反応に供されるガスと燃料の噴流との界面付近に強電場を形成し、該界面付近に生じる火炎内の荷電粒子火炎より生じる荷電粒子にエネルギを供給することを特徴とするものである。

〔構成１７〕
構成１乃至構成１６のいずれか一を有する圧縮着火内燃機関であって、電磁波の照射を、断続的に行うことを特徴とするものである。

〔構成１８〕
構成１７を有する圧縮着火内燃機関であって、断続的な電磁波の照射は、１回の照射時間が概ね２．５ミリ秒以下であることを特徴とするものである。

〔構成１９〕
構成１７を有する圧縮着火内燃機関であって、断続的な電磁波の照射は、１回の照射時間が１マイクロ秒以下であることを特徴とするものである。

〔構成２０〕
構成１７を有する圧縮着火内燃機関であって、電磁波の照射により空間内に発生させるプラズマは、非平衡プラズマであることを特徴とするものである。

〔構成２１〕
構成１乃至構成２０のいずれか一を有する圧縮着火内燃機関であって、コールドスタート時、または、トランジェント運転時に、電磁波の照射を行うことを特徴とするものである。

〔構成２２〕
構成１乃至構成２１のいずれか一を有する圧縮着火内燃機関であって、電磁波の照射の強度、タイミング、回数、持続時間、時間変動及び空間分布のうちの少なくとも一を、ＥＣＵに入力される情報に基づいて決定することを特徴とするものである。

〔構成２３〕
構成１乃至構成２２のいずれか一を有する圧縮着火内燃機関に使用されるグロープラグであって、抵抗線を有し燃焼室内に臨んで設置される発熱体と、抵抗線に接続された給電線と、発熱体、または、給電線に、誘電体を介して接合され、所定周波数の電磁波に共振するアンテナと、アンテナへの給電を行う電磁波伝送路とを備え、アンテナは、インジェクタの方向に電磁波を放射することを特徴とするものである。

〔構成２４〕
構成１乃至構成２２のいずれか一を有する圧縮着火内燃機関に使用されるインジェクタであって、インジェクタ本体に設けられた一、または、複数のノズルと、インジェクタ本体の外表面に設置されたアンテナとを備え、アンテナは、ノズルからの噴流の近傍に向けて電磁波を放射することを特徴とするものである。

〔構成２５〕
構成２を有する圧縮着火内燃機関において、燃焼室内に荷電粒子を準備するための手段を有し、ノッキングの発生時に、プラズマを発生させて燃料との反応に供されるガスの化学活性、または、化学反応性を高めることにより、燃焼室内の圧力分布を制御することを特徴とするものである。

〔構成２６〕
構成１を有する圧縮着火内燃機関において、プラズマの発生の制御を、サイクル、または、気筒ごとに行うことを特徴とするものである。

〔構成２７〕
構成１を有する圧縮着火内燃機関において、プラズマの発生の制御を燃料種に応じて行うことを特徴とするものである。

〔構成２８〕
燃料との反応に供されるガスが圧縮されて存在する燃焼室内にインジェクタより燃料を噴射し、該燃料を圧縮着火させる圧縮着火内燃機関であって、燃焼室内に導入される燃料との反応に供されるガス、水分、または、燃料が存在する空間に荷電粒子を配置するための手段と、その空間に向けて電磁波を照射する一、または、複数のアンテナを有し、燃焼室内に導入される燃料との反応に供されるガス、または、水分と、荷電粒子とがともに存在するときに、該燃料との反応に供されるガス及び荷電粒子が存在する空間にアンテナを用いて電磁波の照射を行い、荷電粒子にエネルギを供給することにより、空間にプラズマを発生させることを特徴とするものである。

構成１によれば、燃料との反応に供されるガス、または、水分と荷電粒子とが存在するときに、その空間にアンテナを用い、電磁波照射を行ってプラズマを発生させることにより、燃料との反応に供されるガスの化学活性、または、化学反応性をプラズマによって高め、燃焼を改善することができる。また、このプラズマの発生方法は、高電圧、または、大電力を要しない。

さらに、その空間及びその周囲の温度及び圧力を上昇させることにより、燃料との反応に供されるガスと燃料との混合を促進できる。また、プラズマを発生させることにより、プラズマの発生領域及びその周囲とそれ以外の領域との間で、密度差、温度差、及び／または、圧力差が生じる。この差は、燃料の噴流を構成する粒子の運動に変化を与える。よって、この差を利用することにより、噴流の速さ、または、運動方向を変化させ、燃料を所望の領域に導くことが可能になる。所望の時点に所望の流れを燃焼室内に形成できるので、時々刻々と変化する燃焼室内の状況に応じて、燃焼室内の作動流体の流れを調整することも可能になる。プラズマのこのような化学的作用、熱的作用、または、その両方により、着火するための必要条件が緩和される。これにより、着火が行われる箇所の数を増大させることも可能になる。さらに、排気処理を行うために燃焼室の下流に触媒フィルタが設置されている場合、温度の上昇により触媒反応の開始を早期化できる。

構成２によれば、所望の時間に所望の空間分布の電場を形成し、プラズマによる圧縮着火内燃機関の着火及び燃焼を含む化学反応を適切なものにすることができる。

構成３によれば、圧縮着火内燃機関において、混合気形成、着火遅れ時間、火炎の広がり、排ガス生成量、または、温度上昇部の均一性を制御可能とすることができる。

構成４によれば、放電、レーザ誘起ブレイクダウン、摩擦、衝撃、または、化学反応を契機として、プラズマ発生を開始することができる。

構成５によれば、熱電子を契機として、プラズマ発生を開始できる。

構成６によれば、燃料の噴流の近辺の火炎が広がりにくい領域にプラズマを作用させ、火炎の広がりを促進し燃焼を改善することが可能になる。火炎の広がりは、燃焼時間の短縮と温度上昇の均一化とを可能にし、熱による窒素酸化物の生成を低減させることが可能になる。また、プラズマを発生させることにより、プラズマの発生領域及びその周囲とそれ以外の領域との間で、密度差、温度差、及び／または、圧力差が生じる。この差は、燃料の噴流を構成する粒子の運動に変化を与える。よって、この差を利用することにより、噴流の速さ、または、運動方向を変化させ、燃料を所望の領域に導くことが可能になる。所望の時点に所望の流れを燃焼室内に形成できるので、時々刻々と変化する燃焼室内の状況に応じて、燃焼室内の作動流体の流れを調整することも可能になる。

構成７によれば、燃料の噴流の終端付近の火炎が広がりにくい領域にプラズマを作用させ、火炎の広がりを促進し燃焼を改善することが可能になる。火炎の広がりは、燃焼時間の短縮と温度上昇の均一化とを可能にし、熱による窒素酸化物の生成を低減させることが可能になる。また、プラズマを発生させることにより、プラズマの発生領域及びその周囲とそれ以外の領域との間で、密度差、温度差、及び／または、圧力差が生じる。この差は、燃料の噴流を構成する粒子の運動に変化を与える。よって、この差を利用することにより、噴流の速さ、または、運動方向を変化させ、燃料を所望の領域に導くことが可能になる。所望の時点に所望の流れを燃焼室内に形成できるので、時々刻々と変化する燃焼室内の状況に応じて、燃焼室内の作動流体の流れを調整することも可能になる。

構成８によれば、燃料の噴流が通過する空間にプラズマを作用させる。これにより、燃料が通過する空間に存在している燃料との反応に供されるガスから、化学活性、または、化学反応性の高い化学種を生成できる。燃料はこれら化学活性、または、化学反応性の高い化学種の存在する空間を通過するため、燃料と化学活性、または、化学反応性の高い化学種とが混合する。これにより、燃料の着火及び燃焼を促進できる。そのため、着火及び燃焼の改善を、高速の噴霧によって燃料と空気とを強制的に混合させることなく達成できる。これは、圧縮着火内燃機関の性能改善に資する。また、インジェクタの開弁圧の低減が可能となる。これは、圧縮着火内燃機関及びその周辺装置の簡素化及び低価格化に資する。また、プラズマが発生すると、そのプラズマ発生領域及びプラズマによりガスの組成が変化した領域、並びに、それらの周辺領域とそれ以外の領域との間で、密度差、温度差、及び／または、圧力差が生じる。この差は、燃料の噴流を構成する粒子の運動に変化を与える。この差を利用することにより、噴流の速さ、または、運動方向を変化させることが可能になるので、時々刻々と変化する燃焼室内の状況に応じて燃料の進行方向及び広がり角度、並びに、速さを調整することも可能になる。

構成９によれば、燃料の噴流のうち燃料が霧状、液状、液滴状、コロイド状、粒子状液体、または、粒子状固体の少なくともいずれか一を含有する流れで通過する空間にプラズマを作用させる。これにより、燃料が霧状、液状、液滴状、コロイド状、粒子状液体、または、粒子状固体の少なくともいずれか一を含有する流れで通過する空間に予め存在している燃料との反応に供されるガスから、化学活性、または、化学反応性の高い化学種を生成できる。霧状、液状、液滴状、コロイド状、粒子状液体、または、粒子状固体の少なくともいずれか一を含有する燃料はこれら化学活性の高い化学種の存在する空間を通過するため、液状の燃料と化学活性、または、化学反応性の高い化学種とが混合する。燃料は、これら化学活性、または、化学反応性の高い化学種を誘引する。そして燃料は、それ自体が有する運動エネルギにより移動することにより、これら化学活性、または、化学反応性の高い化学種をその運動方向に輸送する。その結果、化学活性、または、化学反応性の高い化学種による燃焼促進等の効果範囲が拡張する。燃料の蒸発拡散を促進されるので、燃料が燃焼室または副室の壁面等に気化しないまま付着することも抑制できる。

構成１０によれば、燃料の噴流とシリンダ壁面、または、ピストンチャンバ内面との衝突により乱れが生じ燃料と空気とが激しく混合する領域にプラズマを作用させることができる。この領域にプラズマを作用させると、プラズマを契機に生成される化学活性、または、化学反応性の高い化学種、燃料との反応に供されるガス及び燃料の三者の混合が促進される。その結果、火炎の広がり及び燃焼反応の進展が促進され、燃焼が改善する。

構成１１によれば、インジェクタの複数のノズルの各々より噴射される燃料に対し、予め定められた順序でプラズマを発生させることができる。

構成１２によれば、スキッシュ流、スワール、または、タンブルにより作動流体に流れ、または、乱れが生じ燃料と空気とが激しく混合する領域にプラズマを作用させることができる。この領域にプラズマを作用させると、プラズマを契機に生成される化学活性、または、化学反応性の高い化学種、燃料との反応に供されるガス及び燃料の三者の混合が促進される。その結果、火炎の広がり及び燃焼反応の進展が促進され、燃焼が改善する。加えて過度にスキッシュ流、スワール、または、タンブルを発生させなくても燃焼改善効果が得られるため、燃焼室を形成する部材の形状を簡素化できる。

構成１３によれば、圧縮着火に供される燃料の噴射に先んじて、インジェクタが燃料の噴射を行う。この噴射で生じる燃料の噴流の近辺の空間にプラズマを作用させ、燃料との反応に供されるガスの化学活性、または、化学反応性がプラズマによって高まる。化学活性、または、化学反応性の高まった燃料との反応に供されるガスとこの燃料の噴流とが混合し、着火性が高い作動流体が形成される。この後圧縮着火に供される燃料の噴射時は、着火性の高い作動流体の作用により、圧縮着火が容易になる。これは着火遅れ時間の短縮、火炎拡大の促進、作動流体の混合及び温度上昇の均一化に資する。

構成１４によれば、事前噴射の際のプラズマ発生は、事前噴射時に着火性の高い作動流体を形成し、着火させることができる。通常の圧縮行程では、事前噴射で燃料を噴射させても、そのときに形成される作動流体は着火点温度に到達していないため、着火に至ることはないが、プラズマを作用させると、所望のタイミングにおいて事前噴射で噴射される燃料の着火が可能になる。そしてプラズマ発生によりそのまま上記作動流体を着火させると、事前噴射で噴射される燃料の着火により熱が発生する。またこの着火により燃料が低分子量化し燃焼室内の作動流体の分子数が増加する。これにより、燃焼室内の温度及び圧力が上昇する。すなわち、事前噴射で噴射される燃料の着火により、燃焼室内の作動流体の圧縮着火のための断熱圧縮に要するエネルギの一部を賄うことが可能になる。

構成１５によれば、複数の噴流に挟まれた、火炎の広がりにくい空間に向けてプラズマを作用させ、火炎の広がりを促進し燃焼を改善することが可能になる。

構成１６によれば、着火後において、燃料との反応に供されるガスと燃料の噴流との界面付近に強電場を形成することにより、この領域の燃料との反応に供されるガスの化学活性、または、化学反応性を高め、燃焼の広がりを促進することができる。

構成１７乃至構成１８によれば、断続的に電磁波の照射を行うことにより、高いエネルギ効率でプラズマを生成させ、燃料との反応に供されるガスに作用させることが可能になる。これは省エネルギ化、高効率化に資する。

構成１９によれば、照射時間を概ね２．５秒以下とすることにより、プラズマの過熱を抑制することができる。これは熱による窒素酸化物の生成の抑制に資する。

構成２０によれば、化学活性、または、化学反応性の高いラジカル、不安定分子の生成効率が高くかつ熱によるそれらの失活を低減できる。また、非平衡プラズマを用いて、燃料との反応に供されるガスの化学活性、または、化学反応性を効率よく、かつ飛躍的に向上させることが可能になる。

構成２１によれば、スス等の発生量が特に多いコールドスタート時、または、トランジェント運転時にプラズマを用いて燃料との反応に供されるガスの化学活性、または、化学反応性を高め、燃焼を改善させることができる。これは、特にＰＭの生成抑制に資する。また、特にコールドスタート時に大量発生するホルムアルデヒドの量を低減できる。また、作動流体の温度や反応性を高め、燃焼室の下流に設けられた触媒フィルタの始動を早期化することも可能になる。また、目詰まりしたＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）の再生も容易になる。より高温または高反応性の排気を形成するようにすれば、ＤＰＦを再生することも可能となる。

構成２２によれば、電磁波の照射の強度、タイミング、回数、持続時間、時間変動、または、空間分布ＥＣＵに入力される、運転状態の情報に基づいて適切に決定することができる。これにより、プラズマを用いた適切な燃焼改善が期待できる。

構成２３によれば、燃焼室内に着脱の容易なグロープラグとアンテナとを一体化することにより、容易に、かつ低コストで、構成１乃至構成２２の作用効果を、従来の圧縮着火内燃機関において奏することが可能になる。

構成２４によれば、燃焼室内に着脱の容易なインジェクタとアンテナとを一体化することにより、容易に、低コストで、かつ適切な位置にアンテナを配置し、構成１乃至構成２２の作用効果を、従来の圧縮着火内燃機関において奏することが可能になる。

以上のように、本発明によれば、燃料噴射の高速化が奏する混合促進効果、着火遅れ時間短縮効果及び燃焼時間の短縮効果と同様の効果を、電磁波照射とそれに伴うプラズマ形成とによって得ることができる。すなわち本発明は、燃料噴射機構における開弁圧を低下させつつ、コモンレールシステムと同様の作用及び効果を得ることを可能にする。これは、燃料噴射機構の構造の簡素化に資する。

また、本発明によれば、多数回の燃料噴射が奏する混合促進効果、着火時期制御性の向上効果及び排気浄化効果と同様の効果を、電磁波照射とそれに伴うプラズマ形成とによって得ることができる。すなわち、本発明は、圧縮着火内燃機関における燃料噴射回数を低減させつつ、コモンレールシステムと同様の作用及び効果を得ることを可能にする。これは、燃料噴射機構の制御の簡素化に資する。加えて、本発明は、多数回の燃料噴射が奏する混合促進効果、着火時期制御性の向上効果及び排気浄化効果と同様の効果を燃料噴射なしで行うことを可能とする。これは、燃料消費量の低減に資する。

また、本発明によれば、プラズマを作用させて燃料の事前噴射時の着火、燃焼時間の短縮及び燃え残りの低減を可能にする。これらは、圧縮着火内燃機関の熱サイクルにおけるエネルギ損失の低減を可能にし、該熱サイクルを理想的な熱サイクルに近づけることを可能にする。これは、圧縮着火内燃機関におけるエネルギ効率の向上に資する。

すなわち、本発明は、マイクロ波照射により形成されるプラズマを利用した実用的な圧縮着火内燃機関を提供することができるものである。

〔第１の実施形態〕
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。なお、本実施形態においては、燃料は炭化水素系の化合物を含有してなるものとし、この燃料との反応に供されるガスは空気であるものとし、これが、酸化性ガス、または、支燃性ガスとして燃料と反応し、結果として燃焼が達成されるものとする。

図１に、本実施形態に係る燃焼改善方法を行う圧縮着火内燃機関の一例として、ディーゼルエンジン４０の内部構成を示す。

図１に示すように、このディーゼルエンジン４０は、シリンダヘッド４２と、シリンダヘッド４２に接合される筒状のシリンダライナ４４と、シリンダライナ４４に摺接するピストン４６とを有する。これらの部材により取り囲まれた空間が燃焼室となる。

シリンダヘッド４２には、吸気ポートと排気ポートとが設けられており、それらと燃焼室との境界部には燃焼室に向けて開閉自在のバルブ４８Ａ，４８Ｂが配置される。シリンダヘッド４２には、燃料の噴射を行うインジェクタ５０が取付けられる。

シリンダヘッド４２には、燃焼室に接する面（以下、「第１の面」という。）から燃焼室外の空間に接する面（以下、「第２の面」という。）まで達する貫通孔が設けられており、この貫通孔を塞いで、マイクロ波伝送路５２が挿入される。マイクロ波伝送路５２の燃焼室側には、所定周波数のマイクロ波に共振するアンテナ５４が接続される。

具体的には、マイクロ波伝送路５２は、同軸ケーブルである。また、具体的には、アンテナは、２．４５ＧＨｚ帯のマイクロ波と共振する。

このディーゼルエンジン４０においては、燃料との反応に供されるガスとして、吸気ポートより燃焼室内に水分を含有する空気が導入される。導入された空気はピストン４６により燃焼室内で圧縮され、高温高圧となる。この状態でインジェクタ５０が燃料を噴霧する。

図２に、燃焼室内の空気、燃料及び火炎の空間分布の変化を模式的に示す。

ピストンが上死点付近にあるときにインジェクタ５０が燃料を噴霧すると、図２に示すように、噴霧した燃料が着火し、図２中のＡに示すように、インジェクタ５０を中心に照射状に火炎６２が形成される。この火炎６２の内部には、気化した未燃焼の燃料と液状、または、霧状の燃料とが存在する。この火炎６２は、弱電離プラズマであるため、多量の電子とイオンがその中に存在する。このタイミングで、マイクロ波伝送路５２を介して、火炎６２の近傍の領域６４にアンテナ５４でマイクロ波パルスを給電すると、火炎６２中の電子がエネルギの供給を受けて加速し、火炎周囲の領域６０に存在する空気の分子と衝突する。この衝突により、分子は電離してプラズマとなる。そのプラズマ中の電子もまた、マイクロ波パルスよりエネルギの供給を受けて加速する。この連鎖により、雪崩式にプラズマが形成される。このようにしてプラズマが拡大する。

このプラズマの拡大速度は、噴射火炎の広がりより早く、瞬間的には秒速百メートル以上に達する。すなわち、火炎の広がりに先んじて、プラズマの領域が形成される。プラズマは、燃焼室内のガスに対し、例えば、次のように作用する。

燃料が電離しイオンとなることにより、化学活性、または、化学反応性が高まる。そしてプラズマ中の燃料に由来するイオンと、空気中の酸素、または、水に由来したこれらの化学活性、または、化学反応性が高まった結果生じた酸化力の高い活性化学種（例えば、オゾン、ＯＨラジカル等の活性酸素）とが反応することになる。すなわち、プラズマ生成の最初期には、いわゆる非平衡プラズマが生成される。これにより、空気からは、オゾン、ＯＨラジカル等の活性酸素といった酸化力の高い活性化学種が発生する。これにより、燃料の酸化反応が促進され、燃焼が促進される。また、燃料及び空気が解離することにより、事実上燃焼反応の工程の第１段階が行われる。これが高速で行われるため、燃料と空気との界面での燃焼が速やかに行われる。また、プラズマになることにより、イオンが加熱されるため、燃焼が促進される。

また、このプラズマにより処理された領域では、ＯＨラジカル等のラジカル、オゾン等の不安定分子など化学活性、または、化学反応性の高い化学種が多量に存在する。このような空間では着火自体が起こりやすくなる。着火遅れの改善や、混合気形成、着火遅れ時間、火炎の広がり、排ガス生成量、または、温度上昇部の均一性の制御を行うことが可能になる。着火遅れの改善はノッキングの低減または回避を可能にする。排ガスの生成量について言えば、例えばコールドスタート時のホルムアルデヒドの発生量を低減できる。

図２Ｂは、インジェクタ５０による燃料噴射が終了したころの火炎６２の空間分布を模式的に示している。噴射火炎での燃焼が進行すると、燃料の噴流に沿って複数のブランチを持つ星型の燃焼領域が形成される。そして、インジェクタ付近には、燃焼反応が完了した領域（既燃焼の領域）６６が形成され始める。

この状態で、ブランチとブランチとの間６８に未燃焼の領域が形成される。この領域６８に向けてマイクロ波パルスを照射すると、ブランチの部分でプラズマが作用し、プラズマにより領域６８に酸化力の高い活性化学種が生成される。噴射された燃料が燃料との反応に供されるガス中の酸化力の高い活性化学種と接触する確率が高くなるため、燃料が酸化反応する確率が高くなり、燃料との反応に供されるガスと燃料とが十分に混合した状態に類する燃焼・着火しやすい状態が形成される。また、燃料はプラズマより熱エネルギの供給を受けることとなり、燃料の気化及び拡散、並びに混合気形成が促進される。その結果、燃焼が促進される。

これらによりブランチ同士の距離が急激に狭くなり、燃焼が均一化する。これにより、ブランチとブランチとの間では、体積着火に似た燃焼状態が形成される。

図２Ｃは、燃焼がさらに進んだ状態での火炎６２の空間分布を模式的に示している。この状態まで燃焼が進展すると、既燃焼の領域がさらに広がる。この既燃焼の領域には、化学活性、または、化学反応性の低い二酸化炭素のほかに、還元性の化学種、すなわち、燃焼しきれなかった燃料、不完全燃焼により生じる還元性ガス及びスス、並びに、燃焼で生じる水が多く含まれる。火炎と既燃焼の領域との境界付近７０にマイクロ波を照射すると、火炎からプラズマが広がり、既燃焼の領域にプラズマが作用する。

これにより、既燃焼の領域にある化学種の化学活性、または、化学反応性が高まる。具体的には、水分からＯＨラジカルが発生する。このＯＨラジカルが広がると、未燃焼の領域、既燃焼の領域の両方で酸化反応が促進される。また、還元性の化学種もまたイオン化する。さらに、プラズマの熱もまた、反応の促進に寄与する。これにより、既燃焼の領域で完全燃焼が達成されやすくなる。

以上のように、本実施形態のディーゼルエンジン４０においては、マイクロ波を燃焼室に導入するマイクロ波伝送路５２とアンテナ５４とが一体化されている。これにより、シリンダブロック本体を交換したり、大幅な改造を施したりしなくても、自己着火式の燃焼機関である圧縮着火内燃機関での燃焼を、マイクロ波によってアシストすることができる。より具体的には、マイクロ波を用いてプラズマの拡大とその結果生じる化学活性、または、化学反応性の高い化学種による燃焼の改善を行うことができる。

このような効果は、１ミリ秒程度以内のマイクロ波照射によって十分に得ることができる。プラズマの形成に要する時間遅れとプラズマの加熱による熱的な燃焼改善効果とに鑑み、マイクロ波照射を２．５ミリ秒程度としてもよい。なお、マイクロ波の照射時間をさらに短くし、１マイクロ秒以下にすれば、その分プラズマ及びプラズマ近辺のガスの加熱時間が短くなり、結果として、１５００度程度以下のプラズマを形成することができる。このようにしておけば、いわゆるサーマルＮＯ_Ｘ、すなわち、熱反応により生じる窒素酸化物は発生しない。そのため、窒素酸化物濃度を上昇させることなく、理想的な燃焼状態を得ることが可能になる。マイクロ波の照射時間をさらに短くすれば、非平衡プラズマのみを生成し利用することができる。非平衡プラズマは、熱平衡状態のプラズマよりＯＨラジカル等の生成効率がよい。よって、高効率なプラズマによる燃焼の改善を行うことができる。さらに、このようなマイクロ波の照射を繰返し断続的に行うようにすれば、プラズマが生成されるたびにＯＨラジカル等が生成される。そのため、酸化力の高い化学種の総生成量を増加させることができる。また、断続的なマイクロ波の放射により、マイクロ波の放射に要する電力量を低減させることもできる。

このようなマイクロ波の照射の制御は、ＥＣＵにより行ってもよい。燃料の成分、噴射量、噴射タイミング、空気の温度、圧力、湿度、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）の状態、アクセルの開度、その他種々の情報に基づき、マイクロ波照射を制御すれば、より効率的にプラズマによる燃焼改善を行うことができる。例えば、コールドスタート時や、トランジェント運転時にマイクロ波の照射を行うようにすれば、これらのときに大量に発生するススを低減することができる。さらに、照射するマイクロ波の強度、タイミング、回数、持続時間、時間変動及び／または、空間分布の決定をＥＣＵによって決定するようにすれば、運転の状態に応じた適切な燃焼改善を行うことが可能になる。

〔第１の実施形態の変形〕
上記実施形態においては、プラズマを燃料の噴流の近傍にプラズマを発生させる実施形態について説明した。しかし、本発明はこのような実施形態には限定されない。プラズマを燃料の噴流に沿って発生させてもよい。

図３に、このような変形例における燃焼室内の空気、燃料の空間分布とプラズマ発生位置との関係を模式的に示す。図３Ａは、インジェクタ５０からの燃料噴射直後における燃料の空間分布を示す。インジェクタ５０からの噴射開始直後には、燃料噴流６２の部分に燃料が存在し、その周囲には空気、または、ＥＧＲにより導入された若しくは燃焼室内に残留する若しくは燃焼室内に逆流する排気ガスが存在する。燃料噴流６２の部分には、液状、または、霧状の燃料を多量に含む。また、燃料噴流６２の部分には、固体の粒子、コロイド状態の燃料を多量に含む。すなわち、燃料噴流６２の部分には、液体、または、固体の物質が含まれることがある。ここで燃料の噴流の先端付近の領域４０２Ａにプラズマを形成すると、この領域４０２Ａを液体、または、固体の物質を含有する燃料が通過することになる。

液体、または、固体の物質が含まれる燃料はプラズマより熱エネルギの供給を受けることとなり、燃料の気化、拡散及び混合気形成が促進される。これは、燃料が気化しないまま燃焼室壁面に付着することの抑制にも資する。また、プラズマにより領域に生じる酸化力の高い活性化学種が生成される。噴射された燃料が燃料との反応に供されるガス中の酸化力の高い活性化学種と接触する確率が高くなるため、燃料が酸化反応する確率が高くなり、燃料との反応に供されるガスと燃料とが十分に混合した状態に類する燃焼・着火しやすい状態が形成される。

さらに、これら酸化力の高い活性化学種の発生領域を通過する液体、または、固体の物質は、気体の燃料分子より質量が大きく、運動エネルギが高い。そのため、酸化力の高い活性化学種がこれら液体、または、固体の物質に付着、または、衝突すると、それらの物質より運動エネルギを与えられ、燃料の拡散する方向に輸送される。すなわち、酸化力の高い活性化学種の空間的な作用範囲が広がる。

図３Ｂは、インジェクタ５０による燃料噴射が終了したころの燃料の空間分布を模式的に示している。燃料噴射が進行すると、燃料噴流６２に沿って複数のブランチを持つ燃料の噴射領域が形成される。各ブランチの先端では燃料が気化することにより気体の燃料と空気等燃料との反応に供されるガスとの混合気の存在する領域が形成される。この状態でブランチの先端部分４０２Ｂに向けてマイクロ波パルスを照射すると、ブランチの部分でプラズマが作用し、プラズマにより酸化力の高い活性化学種が生成される。混合気中で噴射された燃料と酸化力の高い活性化学種との接触確率が高くなる。そのため、燃料が酸化反応する確率が高くなり、燃料との反応に供されるガスと燃料とが十分に混合した状態に類する燃焼・着火しやすい状態が形成される。その結果、燃焼の開始及び終了に要する時間が短縮する。換言すれば、着火遅れ時間及び燃焼時間が短縮する。すなわち燃焼が促進される。燃焼時間の短縮は、化学的なポテンシャルエネルギから力学的エネルギへの変換効率の向上に資する。また、燃焼時間が短縮するため、燃焼による過度の温度上昇が回避可能になる。また、温度上昇部の均一性が増す。このことはＮＯ_Ｘ発生量の低減に資する。加えて、多環芳香族炭化水素の発生を抑制できる。これはスス発生量の低減に資する。さらに、混合促進効果により過度に燃料濃度が高い領域の形成も抑制できる。着火性が向上するため、冷間始動性も向上する。

図３Ｃは、燃料の噴流が燃焼室周囲の壁面に到達した頃の燃料分布を示す。この時点では、壁面に到達した燃料噴流６２は壁面、または、ピストンチャンバ内面に沿って周方向に広がる。そのため壁面、または、ピストンチャンバ内面付近では、ブランチとブランチとの間に乱れ場が形成される。アンテナからこの乱れ場が形成される部分４０２Ｃに電磁波を照射すると、この部分にプラズマが発生する。乱れによる混合気形成に加え、プラズマによる上述と同様の燃料と、燃料との反応に供されるガスと、プラズマを契機に形成される酸化力の高い化学種との混合促進がなされるため、実効的な混合気形成が促進される。また、着火遅れ時間及び燃焼時間が短縮される。さらに、プラズマに起因する酸化力の高い化学種により、燃料の酸化自体が促進されるため、燃え残りによるＵＨＣ、ＰＭ、タール等の発生が低減する。さらに、火炎の広がり、排ガス生成量、または、温度上昇部の均一性を改善することができる。

さらに、燃料噴射の終了後に、燃料の噴流の終端付近に電磁波照射を行いこの部分にプラズマを発生させてもよい。噴流の終端付近に電磁波照射を行いこの部分にプラズマを発生させると、この部分が着火し易くなる。従来燃料が燃え残っていた部分で燃焼が行われる確率が高くなる分、同一量の燃料で多くのエネルギを得ることが可能になる。

また、噴流の終端付近で着火が起こり燃焼が行われると、この部分の温度が上昇する。温度の上昇に伴いこの領域の圧力が増大する。これは、噴霧の先端側にある作動流体に対し、インジェクタから遠ざける方向に力を及ぼす。先端側の燃料はインジェクタから遠ざかる方向に加速する。その結果、燃料の燃焼室、副燃焼室、または、ピストンチャンバ壁面への到達時間が短縮する。したがって、インジェクタによる燃料の噴射圧を高めるのと同様の効果を得ることができる。

なお、必要に応じて、インジェクタより噴射される燃料自体をプラズマ化してもよい。プラズマ化により強制的な着火を行ってもよく、着火は行わずに燃焼の改質が行われる程度の反応が行われるようにしてもよい。

〔スキッシュ流、スワール、タンブルの利用〕
上述の実施形態では、インジェクタの燃料噴射により直接的に生じる燃料の噴流に沿う領域で、または、近傍の領域で、電磁波放射を行ったが、本発明はこのような実施形態には限定されない。図４に示すように、燃焼室内ではインジェクタからの燃料の噴流の他に、スキッシュ流、スワール、タンブルといった流れが生じる。これらスキッシュ流、スワール及びタンブルに沿う領域で、または、近傍の領域で、電磁波放射を行い、プラズマを作用させるようにしてもよい。スキッシュ流、スワール、タンブルによる混合気形成作用がさらに促進され、燃焼が促進される。

〔第２の実施形態〕
図５に示すディーゼルエンジン８０は、いわゆる副室燃焼方式のエンジンである。このディーゼルエンジン８０は、図５に示すように、シリンダヘッド８２と、シリンダライナ８４と、シリンダライナ８４に摺接するピストン８６とを有する。シリンダヘッド８２にはピストンを臨む位置に窪みが設けられている。

ディーゼルエンジン８０はさらに、この窪みのピストン側の部分に嵌合されるチャンバカラー８８を有する。このチャンバカラー８８には、シリンダヘッド８２の窪みの残りの部分からピストンを臨む空間（すなわち燃焼室）まで貫通する貫通孔が設けられている。シリンダヘッドの窪みのうちチャンバカラー８８が嵌合されていない部分及びチャンバカラーの貫通孔の一部により、渦流室９０が形成される。

シリンダヘッド８２においては、この渦流室９０から燃焼室外の空間まで貫通する３つの貫通孔が形成されおり、それらにはそれぞれグロープラグ９２、インジェクタ９４及びマイクロ波伝送路９６が渦流室９０まで挿入される。マイクロ波伝送路９６の渦流室側の端部には、アンテナ９８が接続される。アンテナ９８は、照射端がグロープラグ９２の表面付近になり、かつマイクロ波の照射される向きにインジェクタ９４の先端が来るように配置される。

このディーゼルエンジン８０においては、グロープラグ９２の渦流室９０に突出する部分が赤熱する。このグロープラグ９２が渦流室内の混合気に熱エネルギを与えることにより、着火が促される。

マイクロ波伝送路９６を介してアンテナ９８にマイクロ波パルスを給電すると、アンテナ９８は、マイクロ波を照射する。これを契機として第１の実施形態と同様のプロセスでプラズマは拡大し、燃焼が促進される。

アンテナ９８は、グロープラグ９２が赤熱した際にその表面から放出される電子が到達しうる位置に向けて配置されてもよい。この配置であれば、マイクロ波照射によって燃焼の促進だけでなく自己着火も促進できる。

すなわち、自己着火以前の段階で、グロープラグ９８は既に赤熱しており、その表面から熱電子が放出される。熱電子が存在する領域にマイクロ波を照射すると、この熱電子がマイクロ波によりエネルギの供給を受けて加速する。この加速した熱電子が、連鎖的なプラズマの生成・拡大の契機となり、渦流室内にプラズマが生成される。このプラズマにより混合気の化学活性、または、化学反応性が高まる。火炎中の電子ではなく、グロープラグ９２の表面から放出される熱電子を契機としてプラズマを生成するため、着火前、または、燃焼が進行しマイクロ波の照射される領域に火炎が形成されていないタイミングでもプラズマを混合気に作用させることができる。着火前の空気、または、混合気にプラズマを作用させることにより、それらの活性を高め、もって着火を促進することが可能になる。また、渦流室内で燃焼が終了したあとのガスにプラズマを作用させることにより、渦流室内の雰囲気の化学活性、または、化学反応性を高め、主燃焼室での燃焼を促進させることも可能になる。

〔第２の実施形態の変形〕
このディーゼルエンジン８０において、主燃焼室内にマイクロ波を照射するように、さらにマイクロ波伝送路及びアンテナを設けてもよい。

〔第３の実施形態〕
第２の実施形態及びその変形においては、シリンダヘッドにマイクロ波伝送路とアンテナを設ける構成であったが、本発明はこのようなものには限定されない。以下では、マイクロ波伝送路とアンテナとを備えたグロープラグの実施形態について説明する。

図６に、本実施形態のグロープラグ１００の構成を示す。図６に示すように、このグロープラグ１００は、いわゆる赤熱コイル式のグロープラグである。グロープラグ１００は、発熱のための電力の供給を受ける端子１０２と、端子１０２に接合されたキャップ１０４と、キャップ１０４に接合された筒状のケース１０６と、キャップ１０４を貫通して端子１０２に接続された導電体（図示せず）を内部に備える接続部１０８と、接続部１０８に接続された導電体の給電線１１０と、給電線１１０の接続部１０８とは反対側に設けられた抵抗線１１２とを有する。

このグロープラグ１００においては、抵抗線１１２が発熱体となる。抵抗線１１２は、燃焼室、または、渦流室に露出する。これらの各部品の機能及び動作は、一般的な発熱コイル型グロープラグと同一である。

グロープラグ１００はさらに、キャップ１０４を貫通し、ケース１０６内をキャップ側から抵抗線側へ配されたマイクロ波伝送路１１４と、マイクロ波伝送路１１４の抵抗線１１２側に接続され、照射端を抵抗線１１２に向けて配置したロッド状のアンテナ１１６とを有する。

このように、グロープラグ１００は、マイクロ波を燃焼室内に導入するためのマイクロ波伝送路を内蔵しており、アンテナ１１６と一体構成となっている。そのため、ディーゼルエンジンにこのグロープラグ１００を取付けることにより、ディーゼルエンジンに特別の改造を加えなくても上述したプラズマによる着火・燃焼の促進が可能になる。

〔第３の実施形態の変形〕
アンテナ１１６は、ロッド状のものには限定されない。図７に示すように、抵抗線１１２を取り囲むように配されたリング状のアンテナでもよい。また同様の形状のループアンテナでもよい。抵抗線の付近にマイクロ波を形成する形状であればその形状を問わない。ただし、アンテナ１１６は、抵抗線に接触しないことが望ましい。

〔第４の実施形態〕
図８に、第４の実施形態に係るグロープラグ２００の構成を示す。このグロープラグ２００は、図８に示すように、いわゆるシーズ型のグロープラグであり、抵抗線が導電性のシーズ２１２により被覆されている。マイクロ波伝送路２１４は、ケース２０６とシーズ２１２との接合部分付近より外部に露出する。アンテナ２１６は、照射端がシーズ２１２の先端付近に向けて配置される。

このグロープラグ２００においては、シーズ２１２が混合気に接触する。シーズ２１２が発熱体となる。この構成により、第２の実施形態及び第２の実施形態の望ましい作用及び効果をシーズ型のグロープラグによっても実現できる。

〔第４の実施形態の変形〕
なお、図８に示す例では、アンテナ２１６とマイクロ波伝送路２１４とは、シーズ２１２とケース２０６との接合部付近で接続されていたが、このような構成には限定されない。図９に示すように、マイクロ波伝送路２１４がシーズ２１２の先端付近にまで達していてもよい。この場合、マイクロ波伝送路は耐熱性の高い素材からなるものであることが望ましい。

さらには、図１０に示すように、マイクロ波伝送路２１４がシーズ２１２に接触していてもよい。また、図１１に示すように、シーズ２１２にマイクロ波伝送路２１４を埋没させてもよい。マイクロ波伝送路２１４がシーズ２１２により支持されるため、アンテナ２１６とシーズ２１２との位置関係を保つことが容易になる。ただし、マイクロ波伝送路２１４をシーズ２１２の先端まで伸ばす構成をとる場合には、マイクロ波伝送系は、十分に耐熱性を有するものであることが必要となる。

アンテナは、図８に示すようなロッドアンテナには限定されない。例えば、図１２に示すように、シーズ２１２と所定の距離を保ちながらシーズを取り囲むリング状の形状であってもよい。図１３に示すように、シーズ２１２と所定の距離を保ちながららせん状にシーズ２１２を取り囲むコイル状のアンテナであってもよい。図１４に示すように、シーズ２１２の表面に誘電体のリング２３０を設置し、そのリング２３０の表面にアンテナ２１６を巻きつけるようにしてもよい。図１５に示すように、らせん状のアンテナ２１６に沿って、シーズ２１２とアンテナ２１６との間にコイル状の誘電体を配し、これによりシーズ２１２とアンテナ２１６との間の絶縁を確保してもよい。この構成はマイクロ波伝送路２１４として使用される同軸ケーブルをシーズ２１２にそのまま巻きつけ、アンテナ２１６に相当する部分のみ、中心線路を露出させることによっても実現される。

なお、シーズ２１２とケース２０６とを絶縁し、マイクロ波伝送線路２１４をシーズ２１２に接続すれば、シーズ２１２自体をアンテナとすることも可能である。ただし、この場合、シーズの形状は、マイクロ波の照射に適した形状であることが望ましい。具体的には、給電されるマイクロ波と共振する形状であることが望ましい。

〔第５の実施形態〕
図１６に、第５の実施形態に係るグロープラグ３００の構成を示す。このグロープラグ３００は、図１６に示すように、いわゆるセラミックヒータ型のグロープラグであり、給電線３１０に接続されたセラミックヒータ３１２が発熱体となる。マイクロ波伝送路３１４は、ケース３０６とセラミックヒータ３１２との接合部分付近より外部に露出する。アンテナ２１６は、照射端がセラミックヒータ３１２の先端付近に向けて配置される。

本実施形態に係るグロープラグにおいては、セラミックヒータ３１２の表面は誘電体であるため、アンテナ３１６は、図１６に示すように、セラミックヒータ３１２と接触していてもよい。

〔その他の変形例〕
上述の各実施形態では、熱電子へのマイクロ波の照射、または、火炎を契機としてプラズマの発生を行ったが、本発明はこのような構成に限定されない。すなわち、プラズマの生成予定の領域に小規模なプラズマを予め形成し、そのプラズマ中の荷電粒子にマイクロ波を放射するようにしてもよい。小規模なプラズマは、スパークプラグ等の放電電極を用いることにより、または、レーザ光等を照射することにより形成することができる。マイクロ波によりプラズマを拡大成長させることができるため、この小規模なプラズマは、それ単独で着火を生じさせるほど大規模なものでなくてよい。

上述の各実施形態において、インジェクタより噴射される燃料の流速、速度乱れ、物質の拡散速度、温度、圧力及び局所の熱発生量、燃料濃度、化学反応速度、活性化学種の生成速度及び活性化学種の活性消滅速度など、燃料の状況に応じて、または、コールドスタート時、トランジェント運転時など、運転の状況に応じて、時々刻々とマイクロ波の照射によりその時点での該状況に対応する電場の空間分布を設定し、アンテナを用いて形成するようにしてもよい。また、放射するマイクロ波の周波数、マイクロ波の強度等の時間変化もまた、上述の状況等に応じて変化させてもよい。これらの設定は、例えばＥＣＵにより行われてもよい。これにより、混合気形成、着火遅れ時間、火炎の広がり、排ガス生成量、または、温度上昇部の均一性が制御可能となる。

アンテナの設置位置は、上述したものには限定されず、上述した作用及び効果を奏するための電場を形成するものであれば、その数量、配置、形式及び形状を問わない。例えばアンテナはシリンダ、ピストンヘッド、バルブ及びガスケットなどに設置してもよい。

プラズマの始動は、上述のものには限定されず、レーザ誘起ブレイクダウン、摩擦及び衝撃などで生じるプラズマを契機として行ってもよい。また、プラズマの始動は、爆発、火炎形成、燃焼及びその他の化学反応を契機として行ってもよい。

〔燃料の事前噴射に対するプラズマの作用〕
インジェクタは、例えばコモンレールシステムがパイロット、プレ、メイン、ポスト、アフタといった燃料噴射を行うように、複数回に亘り燃料噴射を行うものであってもよい。さらに、燃料噴射のうち、圧縮着火に供される噴射（コモンレールシステムにおいてはメイン噴射）以外の噴射に対し電磁波照射を行い、プラズマを作用させてもよい。例えば、圧縮着火に供される燃料の噴射に先んじて、インジェクタが燃料の噴射（以下、「事前噴射」と呼ぶ）を行い、この事前噴射での燃料の噴流の近辺の空間にプラズマを作用させると、燃料との反応に供されるガスの化学活性、または、化学反応性がプラズマによって高まる。化学活性、または、化学反応性の高まったガスとこの燃料の噴流とが混合し、着火性の高い作動流体が形成される。この後圧縮着火に供される燃料の噴射時は、着火性の高い作動流体の作用により、圧縮着火が容易になる。これは着火遅れ時間の短縮、火炎拡大の促進に資する。

このように燃料の事前噴射に対応してプラズマを発生させると、一般的なコモンレールより少ない噴射量で、または、低い開弁圧での噴射でコモンレールシステムにおけるパイロット噴射、または、プレ噴射と同様の作用・効果を奏することが可能になる。

さらには、パイロット噴射、プレ噴射の一方に対応してプラズマを発生させることにより、他方の事前噴射の代替とすることも可能になる。これは、燃料噴射制御の簡素化に資する。

なお、電磁波照射によるプラズマ発生を契機として生成される酸化力の高い活性化学種は、燃料と空気の混合気より低い温度での着火を可能にする。そのため、通常のコモンレールシステム等では着火が行われない事前噴射において、電磁波照射を行い、そのままプラズマ酸化力の高い活性化学種と燃料との化学反応を契機として着火を行わせるようにしてもよい。事前噴射で噴射される燃料の着火により熱が発生する。またこの着火により燃料が低分子量化し燃焼室内の作動流体の分子数が増加する。これにより、燃焼室内の温度及び圧力が上昇する。すなわち、事前噴射で噴射される燃料の着火により、燃焼室内の作動流体の圧縮着火のための断熱圧縮に要するエネルギの一部を賄うことが可能になる。

上述した各実施形態では、燃焼室内、または、副室内に燃料を噴射する実施形態を例示したが、本発明はこのようなものには限定されない。例えばＰＦＩ（Port Fuel Injection）のように燃焼室外の空間から燃料を噴射するようにしてもよい。プラズマの発生もまた、必ずしも燃焼室内、または、副室内で行うことを要しない。プラズマを作用させた燃料との反応に供されるガスまたは空気が燃焼室外、または、副室外からそれらの空間に導入されるようにしてもよい。このために別途プラズマ反応室及びそのプラズマ反応室に連通する作動流体の導入経路を設けてもよく、また、燃焼室の直上流または直下流においてプラズマを生成するようにしてもよい。

上述した各実施形態において、燃料との反応に供されるガスとして、空気を例示したが、本発明において燃料との反応に供されるガスは、必ずしも空気には限定されない。例えば燃料が酸化還元反応により結果として熱を発生させ、または、燃焼室内のガスの分子数を増大させるものであれば、燃料との反応に供されるガスは、少なくとも酸化性ガスを含有していればよい。酸化性ガスは酸素であってもよいが、これには限定されず、燃料に応じて適宜選択すればよい。燃料が反応に供されるガスと酸化還元反応以外の反応により結果として熱を発生させ、または、燃焼室内のガスの分子数を増大させるものであれば、燃料との反応に供されるガスは、その反応に応じて適宜選択すればよい。

無論、空気中にある希ガス等のいわゆる不活性ガスが燃料と空気との反応に関与しないのと同様に、本発明において燃料との反応に供されるガスは、必ずしも燃焼室内での反応において燃料と化学反応する物質のみからなるものであることを要しない。例えば上述したようにＥＧＲ等により、燃料との反応に供されるガスが燃焼排気を含有していてもよい。また例えば、燃料との反応に供されるガスに、上述の各実施形態において化学活性、または、化学反応性の高い化学種の生成に供される量を上回る水分が混入していてもよい。

また、燃料との反応に供されるガス中に、固体、または、液体の物質が混入していてもよい。その状態は、霧状、液状、液滴状、コロイド状、または、粒子状であってもよい。また、それらの少なくとも一と気体との混層流を形成するものであってもよい。さらに、燃料に、プラズマ、電子等の荷電粒子が混入していてもよい。また例えば、燃焼残滓や燃焼室を形成する物質の破片等が混入していてもよい。

なお、熱平衡プラズマの性質、または、プラズマの熱を積極的に用いる場合には、マイクロ波の照射時間はこれらの照射時間よりさらに長くとってもよい。

インジェクタが複数のノズルを有する場合、ノズルの各々より噴射される燃料に対し、予め定められた順序で前記プラズマの発生を行うようにしてもよい。これにより、燃焼反応の空間的な進展を時間方向で制御可能になる。そのために、アンテナを複数設けてもよいし、一つのアンテナによって強電場の領域の位置を順次変更してもよい。

上述した各実施形態によれば、プラズマの発生により所望の圧力分布を得ることができる。これを利用してノッキングの回避または低減を行うことも可能である。例えば、過度の圧力振動が燃焼室内に生じるときに、プラズマの発生により、その圧力振動とは逆位相の燃焼振動を発生させることにより、振幅を低下させるようにしてもよい。ノッキングが発生した際に、プラズマを発生させて燃焼室内に別途ノッキングを強制的に発生させることにより、ノッキングの持続時間を短縮することもできる。このようなノッキングの回避または低減により、ノッキングの影響を低減させつつ圧縮比を高めることが可能になる。そのような高い圧縮比の状態でプラズマによる燃焼の制御をさらに行ってもよい。

上述の各実施形態において、圧縮着火内燃機関は燃料種を問わない。ただし、燃料種に応じてプラズマ発生を行うか否かを決定してもよく、作動流体に対するプラズマの影響を調整するようにしてもよい。そのための燃料種の判定については周知の種々の手法を用いればよい。燃料種に応じて作動流体に対するプラズマの作用を調整することにより、燃料種の違いが圧縮着火内燃機関の運転に及ぼす影響を低減できる。これは運転の安定化に資する。

上述した電磁波照射及びそれに伴うプラズマの発生をサイクルごとまたは気筒ごとに制御してもよい。燃焼のサイクル変動及び気筒間変動を調整することが可能になる。これらの変動を低減するよう調整し、圧縮着火内燃機関全体としての運転を安定化させてもよい。また、これらの変動を増大させるように調整し、その結果圧縮着火内燃機関に生じる振動を利用するようにしてもよい。

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に対し、複数の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。

上述した各実施形態は、単なる例示であって、本発明が上述の実施形態のみに制限されるわけではない。本発明の範囲は、発明の詳細な説明の記載を参酌した上で、特許請求の範囲の各請求項によって示され、そこに記載された文言と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含む。

第１の実施形態に係るディーゼルエンジン（直接噴射式）の内部構成を示す図である。 燃焼室内の空気、燃料及び火炎の空間分布の変化を示す模式図である。 第１の実施形態（変形例）における燃焼室内の空気、燃料の空間分布とプラズマ発生位置との関係を示す模式図である。 燃焼室内にスキッシュ流、スワール、タンブルといった流れが生じた状態を示す模式図である。 第２の実施形態に係るディーゼルエンジンの内部構成を示す図である。 第３の実施形態に係るグロープラグの概略構成図である。 第３の実施形態の変形例に係る発熱コイルとアンテナとの配置を示す図である。 第４の実施形態に係るグロープラグの概略構成図である。 第４の実施形態の第１の変形例に係るグロープラグの先端の断面図である。 第４の実施形態の第１の変形例でのシーズとマイクロ波伝送路との配置を示す図である。 第４の実施形態の第１の変形例でのシーズとマイクロ波伝送路との別の配置を示す図である。 第４の実施形態の第２の変形例におけるアンテナの配置を示す図である。 第４の実施形態の第３の変形例におけるアンテナの配置を示す図である。 第４の実施形態の第３の変形例におけるアンテナの別の配置を示す図である。 第４の実施形態の第３の変形例におけるアンテナのさらに別の配置を示す図である。 第５の実施形態に係るグロープラグの概略構成図である。

符号の説明

４０、８０ ディーゼルエンジン
４２、８２ シリンダヘッド
４４、８４ シリンダライナ
４６、８６ ピストン
４８Ａ、４８Ｂ バルブ
５０、９４ インジェクタ
５２、９６、１１４、２１４、３１４ マイクロ波伝送路
５４、９８、１１６、２１６、３１６ アンテナ
８８ チャンバカラー
９０ 渦流室
９２、１００、２００、３００ グロープラグ

Claims (28)

1. 燃料との反応に供されるガスが圧縮されて存在する燃焼室内にインジェクタより燃料を噴射し、該燃料を圧縮着火させる圧縮着火内燃機関であって、
   燃焼室内に一、または、複数のアンテナを有し、かつ前記燃焼室内の燃料との反応に供されるガス、または、水分と、荷電粒子とがともに存在するときに、該燃料との反応に供されるガス及び荷電粒子が存在する空間に前記アンテナを用いて電磁波の照射を行い、前記荷電粒子にエネルギを供給することにより、前記空間にプラズマを発生させる
   ことを特徴とする圧縮着火内燃機関。
2. 前記インジェクタより噴射される燃料の状況に応じて、前記電磁波の照射によりその時点での該状況に対応する空間分布の電場を、前記アンテナを用いて形成する
   ことを特徴とする請求項１記載の圧縮着火内燃機関。
3. さらに、前記燃焼室内に荷電粒子を準備するための手段を有し、
   前記燃料の着火前において、プラズマを発生させて前記燃料との反応に供されるガスの化学活性、または、化学反応性を高めることにより、混合気形成、着火遅れ時間、火炎の広がり、排ガス生成量、または、温度上昇部の均一性を制御する
   ことを特徴とする請求項２記載の圧縮着火内燃機関。
4. 前記準備するための手段は、放電、レーザ誘起ブレイクダウン、摩擦、衝撃及び化学反応からなるプラズマの生成手法の群より選ばれた一、または、複数の生成手法により、荷電粒子を供給する
   ことを特徴とする請求項３記載の圧縮着火内燃機関。
5. 前記準備するための手段は、熱電子を準備する
   ことを特徴とする請求項３記載の圧縮着火内燃機関。
6. 前記インジェクタより燃料が噴射されるときに、前記アンテナを用いて電磁波の照射を行い、前記燃料の噴流の近辺の空間に強電場を形成し、前記燃料の噴流の近辺の空間内の荷電粒子にエネルギを供給することにより、前記空間にプラズマを発生させる
   ことを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか一に記載の圧縮着火内燃機関。
7. 前記インジェクタより燃料が噴射されたときに、前記アンテナを用いて電磁波の照射を行い、前記燃料の噴流の終端付近の空間に強電場を形成し、前記燃料の噴流の終端付近の空間内の荷電粒子にエネルギを供給することにより、前記空間にプラズマを発生させる
   ことを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか一に記載の圧縮着火内燃機関。
8. 前記インジェクタより燃料が噴射されるときに、前記アンテナを用いて電磁波の照射を行い、少なくとも前記燃料の噴流の流線上の所定点を含む空間に強電場を形成し、前記空間内の荷電粒子にエネルギを供給することにより、前記空間にプラズマを発生させる
   ことを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか一に記載の圧縮着火内燃機関。
9. 前記アンテナを用いた電磁波の照射による強電場の形成は、前記燃料の噴流のうち燃料が霧状、液状、液滴状、コロイド状、粒子状液体、または、粒子状固体の少なくともいずれか一を含有する流れで通過する空間において行う
   ことを特徴とする請求項８記載の圧縮着火内燃機関。
10. 前記アンテナを用いた電磁波の照射による強電場の形成は、前記インジェクタより噴射される燃料の噴流が前記燃焼室壁面、または、ピストンチャンバ内面付近の空間に到達するときに行い、前記燃焼室壁面付近の空間、または、ピストンチャンバ内面付近の空間において行う
    ことを特徴とする請求項８記載の圧縮着火内燃機関。
11. 前記インジェクタは、複数のノズルを有しており、前記ノズルの各々より噴射される燃料に対し、予め定められた順序で前記プラズマの発生を行う
    ことを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか一に記載の圧縮着火内燃機関。
12. 前記燃焼室には、スキッシュ流、スワール、または、タンブルが発生し、
    前記アンテナを用いた電磁波の照射による強電場の形成は、前記スキッシュ流、スワール、または、タンブルにより前記燃料を含有する作動流体に流れ、または、乱れが生じるときに、該流れ、または、乱れが生じる空間において行う
    ことを特徴とする請求項８記載の圧縮着火内燃機関。
13. 前記インジェクタは、吸気行程終了時点から圧縮着火に供される燃料の噴射時点までに、少なくとも１回燃料の事前噴射を行い、
    前記インジェクタより燃料が事前噴射されるときに、前記アンテナを用いて電磁波の照射を行い、前記燃料の噴流の近辺の空間に強電場を形成し、前記燃料の噴流の近辺の空間内の荷電粒子にエネルギを供給することにより、前記空間にプラズマを発生させる
    ことを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか一に記載の圧縮着火内燃機関。
14. 前記プラズマの発生により、前記事前噴射された燃料を着火させる
    ことを特徴とする請求項１３記載の圧縮着火内燃機関。
15. 前記インジェクタは、複数のノズルを有しており、
    前記電磁波の照射は、前記複数のノズルからの複数の噴流に挟まれた空間に向けて行う
    ことを特徴とする請求項６乃至請求項１４のいずれか一に記載の圧縮着火内燃機関。
16. 前記燃料の着火後において、前記燃料との反応に供されるガスと前記燃料の噴流との界面付近に強電場を形成し、該界面付近に生じる火炎内の荷電粒子火炎より生じる荷電粒子にエネルギを供給する
    ことを特徴とする請求項２乃至請求項１５のいずれか一に記載の圧縮着火内燃機関。
17. 前記電磁波の照射を、断続的に行う
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項１６のいずれか一に記載の圧縮着火内燃機関。
18. 断続的な電磁波の照射は、１回の照射時間が概ね２．５ミリ秒以下である
    ことを特徴とする請求項１７記載の圧縮着火内燃機関。
19. 断続的な電磁波の照射は、１回の照射時間が１マイクロ秒以下である
    ことを特徴とする請求項１８記載の圧縮着火内燃機関。
20. 前記電磁波の照射により前記空間内に発生させるプラズマは、非平衡プラズマである
    ことを特徴とする請求項１７記載の圧縮着火内燃機関。
21. コールドスタート時、または、トランジェント運転時に、前記電磁波の照射を行う
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項２０のいずれか一に記載の圧縮着火内燃機関。
22. 前記電磁波の照射の強度、タイミング、回数、持続時間、時間変動及び空間分布のうちの少なくとも一を、ＥＣＵに入力される情報に基づいて決定する
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項２１のいずれか一に記載の圧縮着火内燃機関。
23. 請求項１乃至請求項２２のいずれか一に記載の圧縮着火内燃機関に使用されるグロープラグであって、
    抵抗線を有し燃焼室内に臨んで設置される発熱体と、
    前記抵抗線に接続された給電線と、
    前記発熱体、または、前記給電線に、誘電体を介して接合され、所定周波数の電磁波に共振するアンテナと、
    前記アンテナへの給電を行う電磁波伝送路と
    を備え、
    前記アンテナは、インジェクタの方向に電磁波を放射する
    ことを特徴とするグロープラグ。
24. 請求項１乃至請求項２２のいずれか一に記載の圧縮着火内燃機関に使用されるインジェクタであって、
    インジェクタ本体に設けられた一、または、複数のノズルと、
    インジェクタ本体の外表面に設置されたアンテナと
    を備え、
    前記アンテナは、前記ノズルからの噴流の近傍に向けて電磁波を放射する
    ことを特徴とするインジェクタ。
25. 前記燃焼室内に荷電粒子を準備するための手段を有し、
    ノッキングの発生時に、プラズマを発生させて前記燃料との反応に供されるガスの化学活性、または、化学反応性を高めることにより、前記燃焼室内の圧力分布を制御する
    ことを特徴とする請求項２記載の圧縮着火内燃機関。
26. 前記プラズマの発生の制御を、サイクル、または、気筒ごとに行う
    ことを特徴とする請求項１記載の圧縮着火内燃機関。
27. 前記プラズマの発生の制御を燃料種に応じて行う
    ことを特徴とする請求項１記載の圧縮着火内燃機関。
28. 燃料との反応に供されるガスが圧縮されて存在する燃焼室内にインジェクタより燃料を噴射し、該燃料を圧縮着火させる圧縮着火内燃機関であって、
    前記燃焼室内に導入される燃料との反応に供されるガス、水分、または、燃料が存在する空間に荷電粒子を配置するための手段と、
    その空間に向けて電磁波を照射する一、または、複数のアンテナを有し、
    前記燃焼室内に導入される燃料との反応に供されるガス、または、水分と、荷電粒子とがともに存在するときに、該燃料との反応に供されるガス及び荷電粒子が存在する空間に前記アンテナを用いて電磁波の照射を行い、前記荷電粒子にエネルギを供給することにより、前記空間にプラズマを発生させる
    ことを特徴とする圧縮着火内燃機関。

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