JP2010037949A - 内燃機関用バリア放電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関に使用する場合に、運転条件が変化した場合にも高いプラズマ出力を維持することが可能な放電装置を提供することを目的とする。
【解決手段】第１電極５１と、第１電極５１を囲む第２電極５２と、第１電極５１または第２電極５２のいずれか一方を覆う誘電体５３と、を有し、誘電体５３といずれか他方の電極５２との間の距離である放電ギャップが、第１電極５１の長手方向位置によって異なる放電装置とすることで、運転条件の変化に伴って放電時の筒内ガス密度が変化した場合でも、いずれかの部分の放電ギャップで高いプラズマ出力を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の燃焼性を向上させる装置に関する。

圧縮自己着火性を向上させるためのラジカル（化学活性種）を生成する装置として、発明者らは特許文献１に非平衡プラズマ放電を行う放電装置を開示している。
特開２００７−３０９１６０号公報

特許文献１に開示した放電装置によれば、放電装置によって活性化される燃焼室内の混合気の量および分布を運転条件に応じて、前記放電装置の投入エネルギまたはその印加電圧および印加時間に基づいて制御するので、ＨＣおよびＮＯｘの発生量を増大させることなく、幅広い運転領域にわたる燃焼コントロールが可能である。

ところで、車両用内燃機関においては、負荷や回転数といった運転条件は頻繁に変化し、吸入空気量を変化させることで、これに対応する。このため、運転条件の変化に応じて筒内のガス密度も変化することとなる。

したがって、筒内ガス密度の変化に対応して高いプラズマ出力を維持できれば、特許文献１に開示した放電装置による着火ロバスト性向上や自己着火性向上といった効果を、さらに高めることができる。

そこで、本発明では運転条件が変化した場合にも高いプラズマ出力を維持することが可能な放電装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関用バリア放電装置は、第１電極と、第１電極を囲む第２電極と、第１電極または第２電極のいずれか一方を覆う誘電体と、を有し、誘電体といずれか他方の電極との間の放電ギャップが、電極の長手方向位置によって異なる。

本発明によれば、内燃機関用として使用する場合の幅広い放電時密度条件下において、大きなプラズマ出力をもった非平衡プラズマを生成させることができる。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、第１実施形態の非平衡プラズマ放電式エンジンの構成を示す図である。

非平衡プラズマ放電式エンジン１００は、シリンダブロック１０と、シリンダブロック１０の上側に配置されるシリンダヘッド２０とを備える。

シリンダブロック１０には、ピストン１１を収装するシリンダ１２が形成される。そして、ピストン１１の冠面と、シリンダ１２の壁面と、シリンダヘッド２０の下面とによって燃焼室１３を形成する。この燃焼室１３で混合気が燃焼すると、ピストン１１は燃焼による燃焼圧力を受けてシリンダ１２を往復動する。

また、シリンダヘッド２０には、燃焼室１３に混合気を流す吸気ポート３０と、燃焼室１３からの排気を流す排気ポート４０とが形成される。

吸気ポート３０には、吸気弁３１が設けられる。吸気弁３１は、吸気側カムシャフト３２に一体形成されるカム３３によって駆動され、ピストン１１の上下動に応じて吸気ポート３０を開閉する。また、吸気ポート３０には燃料噴射弁３４が設置されている。この燃料噴射弁３４は、吸気ポート３０の燃焼室１３への開口部に向けて燃料を噴射する。

一方、排気ポート４０には、排気弁４１が設けられる。排気弁４１は、排気側カムシャフト４２に一体形成されるカム４３によって駆動され、ピストン１１の上下動に応じて排気ポート４０を開閉する。なお、排気ポート４０には、排気を外部に流す図示しない排気通路が接続しており、この排気通路に設置されたＥＧＲ装置が排気通路を流れる排気の一部を吸気系に再循環させる。

上記した吸気ポート３０と排気ポート４０との間であって、シリンダヘッド２０の燃焼室中心部には、非平衡プラズマ放電によって混合気に着火する放電装置５０が設置される。放電装置５０は、中心電極５１と、円環状電極５２と、絶縁部５３と、主体金具５４とを備える。

放電装置５０は、絶縁部５３の軸方向中央に設けられた主体金具５４によってシリンダヘッド２０に設置される。そして、放電装置５０の絶縁部５３と円環状電極５２との間には、燃焼室１３と連通する点火室５５が形成される。

中心電極５１は棒状の導電体からなり、点火室５５に突出するように、燃焼室に延設して配置、形成される。中心電極５１は、誘電体からなる絶縁部５３によって覆われている。そして、この絶縁部５３を取り囲むように、かつ、中心電極５１に対向して、導電体からなる円環状電極５２が配置される。この円環状電極５２は、図１に示す断面形状を、中心電極５１を軸として回転した回転体である。

また、中心電極５１の後端には、後端側端子５１ａが設置されている。この後端側端子５１ａには、エンジン運転状態に応じた交流電圧を印加する高電圧高周波発生器６０が接続される。

非平衡プラズマ放電式エンジン１００は、高電圧高周波発生器６０を制御するため、コントローラ７０を備える。コントローラ７０はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びＩ／Ｏインタフェースを有する。このコントローラ７０には、エンジン回転速度、エンジン負荷など、エンジン運転状態を検出する各種センサの出力が入力する。コントローラ７０は、これら出力に基づいて高電圧高周波発生器６０の交流電圧の電圧値、印加時間、交流周波数、印加時期を制御して、放電装置５０の点火時期や非平衡プラズマ放電の放電エネルギーを調整する。

なお、放電装置５０に印加する電圧は交流に限らず、直流であってもよい。直流電源であっても、絶縁部５３の表面と円環状電極５２の広範囲の空間領域に複数のストリーマが形成されるため、体積的なバリア放電が可能だからである。また、多重のパルス電圧を印加するようにしてもよい。

上記のように構成される非平衡プラズマ放電式エンジン１００では、第１の燃焼形態として、放電装置５０によって着火する形態がある。これは、まず燃料噴射弁３４が吸気ポート内に燃料を噴射する。ピストン１１が下方に移動するときに燃焼室１３の圧力が吸気ポート内の圧力よりも低下するので、このとき吸気弁３１が開かれると、吸気ポート３０と燃焼室１３との圧力差によって吸気ポート内の混合気が燃焼室１３に流入する。そして、吸気弁３１が閉じた後に、ピストン１１の上昇により混合気が圧縮されると、その混合気の一部が点火室５５に流れ込む。点火室５５に流入した混合気は、ピストン１１が圧縮上死点に達する直前に、放電装置５０の非平衡プラズマ放電によって着火される。このように点火室５５で燃焼した燃焼ガスが、燃焼室１３の内部の混合気を燃焼させるものである。

第２の燃焼形態として、混合気をピストン上昇により圧縮自己着火させる形態がある。これは、放電装置５０の放電により混合気中にラジカルを生成して、混合気の自己着火性を向上させ、ピストン上昇に伴うシリンダ１２内の圧力（筒内圧）の上昇によって混合気を自己着火せしめるものである。

図２（Ａ）は、図２（Ｂ）に示すような、中心電極５１と円環状電極５２との間に形成される放電ギャップが均一の放電装置（特開２００７−３０９１６０号公報に開示したものと同様の放電装置）に、任意の高電圧高周波電圧を印加した場合の、放電空間に形成される非平衡プラズマの出力と放電時のシリンダ１２内のガス密度（筒内ガス密度）との関係を示す図である。図２（Ｂ）は放電ギャップについて示す図である。

図２（Ａ）は４種類の放電ギャップａ〜ｄについて示しており、放電ギャップの大きさは、ａ＞ｂ＞ｃ＞ｄである。

いずれの放電ギャップにおいても、放電出力は上に凸な曲線となり、プラズマ出力のピーク出現位置は、放電ギャップが大きくなるほど低密度側に、放電ギャップが小さくなるほど高密度側になる。

また、放電ギャップが大きいほど、プラズマ出力のピーク値は大きくなるが放電可能な密度範囲は狭く、放電ギャップが小さくなるほど、プラズマ出力のピーク値は小さくなるが放電可能な密度範囲は広くなる。

図３は、上記の特性を、縦軸を放電ギャップ、横軸をガス密度として表したものである。図３の右上の領域は、放電しない領域である。この図３に示すように、筒内ガス密度が変化すると、大きなプラズマ出力を発生する放電ギャップも変化する。

ここで、放電装置５０を内燃機関に適用する場合の放電環境を考える。

バリア放電により予混合気を体積的に点火させる場合には、点火時期は圧縮行程中となるため、放電時の筒内ガス密度は相対的に高密度となる。

また、運転条件によって最適な点火時期が異なり、点火時期が同一であっても、負荷に応じてスロットル制御や吸気弁閉時期制御等を行う場合には、負荷によって放電時の筒内ガス密度は大きく変化する。

一方、予混合気の圧縮自己着火性を向上させるために、吸気行程中にバリア放電を行う場合には、放電時の筒内ガス密度は相対的に低密度側になる。

このように、内燃機関の点火又は燃焼促進用として放電装置５０を使用する場合には、放電時に要求される筒内ガス密度は広範囲にわたる。

このため、図２（Ｂ）に示すように放電ギャップが均一の場合には、高いプラズマ出力を発生可能な運転条件が制限されるおそれがある。

そこで、図１に示したように、円環状電極５２の内周壁をテーパ状にすることで、中心電極５１を覆う絶縁部５３と円環状電極５２との間の放電ギャップが中心電極５１の長手方向の位置によって異なるようにする。ここで、例えば最も小さい放電ギャップが図３のＧ１、最も大きい放電ギャップが図３のＧ２、となるようにテーパの傾きを設定する。

これにより、幅広いガス密度範囲で、大きなプラズマ出力をもった非平衡プラズマを生成することが可能となる。

図４（Ａ）〜（Ｄ）は、本実施形態の放電装置５０の他の例を示す図であり、図１と同様に中心電極５１の中心軸を含む平面に沿った断面図である。図４（Ｅ）は図４（Ｃ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

図１では、燃焼室１３に近づくほど放電ギャップが大きくなっているが、図４（Ａ）のように、燃焼室１３に近づくほど放電ギャップが小さくなるような形状であってもよいし、図４（Ｂ）のように、一部に放電ギャップが一定の部分を設けてもよい。

さらに、円環状電極５２の内周壁をテーパ状にするかわりに、図４（Ｃ）または図４（Ｄ）に示すように、円環状電極５２の内周壁に中心電極５１方向に突出する突起部５２ａを設けるようにしてもよい。この突起部５２ａを図４（Ｃ）に示すように燃焼室１３に近づくほど短く、または図４（Ｄ）に示すように燃焼室１３に近づくほど長くすることで、中心電極５１の長手方向位置によって放電ギャップを異ならせることができる。この場合には、生成されるプラズマの周方向での偏りを防ぐため、図５に示すように周方向に複数個、略等間隔で設ける。

なお、上記の説明では、図１または図４（Ａ）〜（Ｄ）に示した断面形状を中心電極５１まわりに回転した回転体を、接地電極としての円環状電極５２とした。しかし、接地電極は必ずしもこのような回転体でなくてもよい。図５は非回転体の場合の例を示す図であり、図５（Ａ）は図１の場合と同様の断面図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）の放電装置５０を下方から見た図である。このように、円環状電極５２にかえて、中心電極５１を挟んで対向するように接地電極を設けてもよい。

以上により本実施形態では、次のような効果を得ることができる。

（１）絶縁部５３と円環状電極５２との間の距離である放電ギャップが、中心電極５１の長手方向位置によって異なるので、内燃機関用として使用する場合の幅広い放電時密度条件下において、大きなプラズマ出力をもった非平衡プラズマを生成させることができる。

（２）放電装置５０を、燃焼室１３または吸気通路３０の少なくともいずれか一方に配置するので、燃焼室１３内に配置した場合には、混合気の体積点火用及びラジカル生成用のいずれにも使用することができ、吸気通路３０内に配置した場合には、ラジカル生成用に使用することができる。

（３）棒状の中心電極５１と、中心電極５１と同軸状に配置された円環状電極５２とで構成されるので、中心電極５１を中心として放射状にバリア放電を形成できる。これによって、より広範囲にバリア放電を形成することができ、混合気の体積点火及び着火性向上の効果を高めることができる。

第２実施形態について説明する。

本実施形態は、基本的には第１実施形態と同様の構成であるが、放電装置５０が異なる。

図６（Ａ）は本実施形態の放電装置５０の、中心電極５１及び円環状電極５２を示す図、図６（Ｂ）は本実施形態の他の例を示す図である。

図６（Ａ）に示すように、円環状電極５２の内周壁の全面が誘電体で覆われて絶縁部５３を形成し、この中心部に中心電極５１を配置する。そして、第１実施形態とは異なり、中心電極５１のまわりには絶縁部５３を設けない。

印加する電圧が一定の場合には、放電部で形成される電界強度は、図７に示すように放電部に近いほど強くなる。したがって、上記のような構成にすると、放電部としての中心電極５１を覆う絶縁部５３を設ける場合よりも、最大電界強度を高くすることができる。

円環状電極５２の内周壁には段差を設け、中心電極５１の先端側の放電ギャップが大きく、基端側の放電ギャップが小さい構成とする。これにより、中心電極５１の長手方向位置にとって異なる放電ギャップを形成することができる。なお、この段差は図６（Ａ）のように１箇所に限られるものではなく、複数段設けてもよい。また、図６（Ｂ）に示すように、中心電極５１の先端側の放電ギャップが小さく、基端側の放電ギャップが大きい構成としてもよい。

また、中心電極５１の先端位置が、円環状電極５２の燃焼室１３側の開放端位置よりも機関上方側となるよう構成する。本実施形態では、図６に示すように、円環状電極５２の燃焼室１３側の開放端面は絶縁部５３に覆われていないので、中心電極５１が開放端面より燃焼室１３側に突出していると、図８（Ｂ）に示すように、中心電極５１と開放端面の絶縁部５３に覆われていない部分との間でアーク放電が生じるおそれがある。このアーク放電を沿面アーク放電という。

そこで、中心電極５１の先端位置を円環状電極５２の燃焼室１３側の開放端位置よりも機関上方側にすることで、図８（Ａ）に示すように沿面アーク放電を抑制してバリア放電を行う。

以上により本実施形態によれば、バリア放電による電界強度を高めることができるので、体積点火及びラジカル生成の効率をより高めることができる。また、中心電極５１の先端位置が、円環状電極５２の開放端面より基端側にあるので、沿面アーク放電を抑制することができる。

第３実施形態について説明する。

本実施形態は、基本的には第１実施形態と同様の構成であるが、放電装置５０が異なる。

図９は、本実施形態の放電装置５０付近の構成を示す図である。放電装置５０は中心電極５１と、これを覆う絶縁部５３を有する点では第１実施形態と同様であるが、円環状電極５２を有さない。そして、シリンダヘッド２０に放電部５０を取り付けるためのプラグホール８０の内周壁に、燃焼室１３側開放端までネジ切加工を施し、これを円環状の接地電極として機能させる。

上記のような構成にすることで、中心電極５１の長手方向で異なる放電ギャップを形成することができる。また、円環状電極５２を設けない分だけ放電装置５０の外径を縮小することができるので、第１実施形態の場合と同等の点火室５５の容積を確保しつつ、コンパクトな構成にすることができる。

第４実施形態について説明する。

図１０は、本実施形態のエンジンの構成を示す図である。図１と異なるのは、燃料噴射弁３４が燃焼室１３天井面の略中央に配置されていること、その付近に点火プラグ９０が配置されていること、放電装置５０が吸気ポート３０内に配置されていること、そして放電装置５０の構造である。

すなわち、放電装置５０は吸気ポート３０でラジカルを生成し、予混合気の着火性向上のみに活用され、予混合気への点火は点火プラグ９０により行う。

放電装置５０の構造を図１１に示す。図１１（Ａ）は放電装置５０の側面図、図１１（Ｂ）は図１１（Ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。

図１１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、第１実施形態の図５（Ｃ）に示した放電装置５０の、円環状電極５２の側面に、複数のスリット５２ｂを設けた構造となっている。スリット５２ｂは、長手方向には図１１（Ａ）に示すように中心電極５１の先端部付近から基端部付近にかけて開口し、周方向には図１１（Ｂ）に示すように隣り合う突起部５２ａに挟まれる部分に開口する。

このような構造にすることで、吸気ポート３０を流れる吸気の一部が点火室５５を通過するようになり、点火室５５のガス交換量が多くなる。その結果、ラジカル生成量を増加させることが可能となり、着火性をより向上させることができる。さらには、希薄燃焼下における初期燃焼期間の短縮及び燃焼安定性の向上を図ることができる。

なお、点火プラグ９０にかえて、燃焼室１３内にも第１実施形態と同様に放電装置５０を設け、予混合気を体積的に点火させてもよい。

以上により本実施形態では、次のような効果を得ることができる。

（１）円環状電極５２の側面にスリットを複数設けるので、放電期間中の点火室５５内のガス交換量が多くなり、これにより希薄燃焼下における初期燃焼期間の短縮、燃焼の安定化、及び着火性の向上を図ることができる。

第５実施形態について説明する。

本実施形態は、基本的には第１実施形態と同様の構成であるが、放電装置５０が異なる。

図１２（Ａ）は放電装置５０の構造を示す図であり、図１２（Ｂ）は放電装置５０をシリンダヘッド２０に取り付けた状態を示す図である。

図１２（Ａ）に示すように、本実施形態の放電装置５０は、スリット５２ｂが長手方向に短い点を除いて、図１１に示した第４実施形態の放電装置５０と同様の構造である。

図１２（Ｂ）に示すように、放電装置５０は燃焼室１３の天井面の略中央部に取り付けられ、取り付けた状態で先端側の一部が燃焼室１３内に突出する。この突出した部分にスリット５２ｂが開口する。

このような構成にすることで、シリンダ１２内に形成されるガス流動によって点火室５５内のガス交換量を増大させることができる。

以上により本実施形態によれば、第４実施形態と同様の効果、すなわち点火室５５内のガス交換量を増大させ、初期燃焼期間の短縮、燃焼安定性の向上等の効果を得ることができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。例えば、上述した実施形態では４ストロークレシプロエンジンエンジンに適用する場合について説明したが、２ストロークエンジン等に適用することも可能である。

第１実施形態の構成を示す図である。 （Ａ）は非平衡プラズマの出力と放電時の筒内ガス密度との関係を放電ギャップごとに示す図、（Ｂ）は放電ギャップについて示す図である。 非平衡プラズマの出力と放電時の筒内ガス密度、放電ギャップとの関係を示す図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は円環状電極の形状のその他の例を示す図であり、（Ｅ）は（Ｃ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 放電装置の他の例を示す図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は下面図である。 （Ａ）、（Ｂ）は第２実施形態の放電装置を示す図である。 電界強度と中心電極からの距離の関係を示す図である。 （Ａ）は第２実施形態の放電装置によるバリア放電の様子を示す図、（Ｂ）は沿面アーク放電の様子を示す図である。 第３実施形態の放電装置を示す図である。 第４実施形態の放電装置を示す図である。 第５実施形態の放電装置を示す図であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 （Ａ）は第６実施形態の放電装置を示す図であり、（Ｂ）は放電装置をシリンダヘッドに取り付けた状態を示す図である。

符号の説明

１０ シリンダブロック
１１ ピストン
１２ シリンダ
２０ シリンダヘッド
３０ 吸気ポート
３１ 吸気弁
３２ 吸気側カムシャフト
３３ カム
３４ 燃料噴射弁
４０ 排気ポート
４１ 排気弁
４２ 排気側カムシャフト
４３ カム
５０ 放電装置
５１ 中心電極
５２ 円環状電極
５３ 絶縁部
５４ 主体金具
５５ 点火室
６０ 高電圧高周波発生器
７０ コントローラ

Claims (9)

1. 第１電極と、
   前記第１電極を囲む第２電極と、
   前記第１電極または前記第２電極のいずれか一方を覆う誘電体と、
   を有し、
   前記誘電体といずれか他方の電極との間の放電ギャップが、前記電極の長手方向位置によって異なることを特徴とする内燃機関用バリア放電装置。
2. 前記誘電体と他方の電極との間に点火室が形成され、前記点火室が開口部を介して燃焼室と連通する位置、または前記点火室が開口部を介して吸気通路と連通する位置の、少なくともいずれか一方に配置されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用バリア放電装置。
3. 前記第１電極は棒状の中心電極であり、前記第２電極は前記中心電極と同軸状に配置された円環状電極であることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関用バリア放電装置。
4. 前記第２電極の内周壁の少なくとも一部がテーパ状であることで、前記第１電極の長手方向位置によって異なる前記放電ギャップを形成することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関用バリア放電装置。
5. 前記第２電極の内周壁の少なくとも一部に段差部を有することで、前記第１電極の長手方向位置によって異なる前記放電ギャップを形成することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関用バリア放電装置。
6. 前記第２電極の内周壁の少なくとも一部に突起部を有することで、前記第１電極の長手方向位置によって異なる前記放電ギャップを形成することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関用バリア放電装置。
7. 前記第１電極の先端位置が、前記第２電極の開放端面より基端側にあることを特徴とする請求項３から６のいずれか一つに記載の内燃機関用バリア放電装置。
8. 前記第２電極の側面にスリットを複数設けることを特徴とする請求項３から７のいずれか一つに記載の内燃機関用バリア放電装置。
9. 燃焼室内の混合気を体積的に点火させる点火装置として、または混合気の自己着火性を向上させるための化学活性種を生成する装置として機能することを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の内燃機関用バリア放電装置。

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