JP2010116909A - Internal combustion engine having plasma igniter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プラズマ点火装置を備える内燃機関に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine including a plasma ignition device.
内燃機関において、点火装置により気筒内全体の均質混合気又は気筒内の一部に存在する混合気を確実に着火させなければならない。しかしながら、点火ギャップに火花を発生させる一般的な点火装置は、混合気の一点を着火させるものであり、それほど高い着火性を有してはいない。 In an internal combustion engine, it is necessary to reliably ignite a homogeneous mixture in the entire cylinder or a mixture existing in a part of the cylinder by an ignition device. However, a general ignition device that generates a spark in the ignition gap ignites one point of the air-fuel mixture and does not have a very high ignitability.
着火性に優れた点火装置として、プラズマジェットを噴射するプラズマ点火装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。プラズマ点火装置は、絶縁体の側壁により形成されたチャンバと、チャンバの一端側に配置された接地電極と、チャンバの他端側に配置された中心電極とを具備し、中心電極と接地電極との間に電圧を印加して発生する放電によってチャンバ内に高温高圧のプラズマを発生させるものである。こうして発生させたプラズマは、プラズマ点火装置の先端部に形成されて気筒内とチャンバとを連通する噴孔からプラズマジェットとして噴射され、プラズマジェットの断面積に相当する混合気の所定面積を同時に着火させることができるために、高い着火性が実現される。 As an ignition device having excellent ignitability, a plasma ignition device that injects a plasma jet has been proposed (see, for example, Patent Document 1). The plasma ignition device includes a chamber formed by a side wall of an insulator, a ground electrode disposed at one end of the chamber, and a center electrode disposed at the other end of the chamber. A high-temperature and high-pressure plasma is generated in the chamber by a discharge generated by applying a voltage between the two. The plasma thus generated is injected as a plasma jet from a nozzle hole formed at the tip of the plasma ignition device and communicating the inside of the cylinder and the chamber, and simultaneously ignites a predetermined area of the air-fuel mixture corresponding to the cross-sectional area of the plasma jet. Therefore, high ignitability is realized.
このようなプラズマ点火装置において、先端部に形成される噴孔はプラズマの通過により非常に高温となり、十分に冷却されないと溶損することがある。 In such a plasma ignition device, the nozzle hole formed at the tip becomes extremely high temperature due to the passage of plasma, and may be melted if not sufficiently cooled.
従って、本発明の目的は、プラズマ点火装置を具備する内燃機関において、プラズマ点火装置の先端部に形成される噴孔を良好に冷却して溶損を抑制することである。 Accordingly, an object of the present invention is to satisfactorily cool the nozzle hole formed at the tip of the plasma ignition device and suppress melting damage in an internal combustion engine equipped with the plasma ignition device.
本発明による請求項1に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関は、絶縁体の側壁により形成されたチャンバと、前記チャンバの一端側に配置された接地電極と、前記チャンバの他端側に配置された中心電極とを具備して、前記チャンバと気筒内とを連通する噴孔が先端部に形成されたプラズマ点火装置を備える内燃機関であって、前記プラズマ点火装置はシリンダヘッドに取り付けられ、シリンダヘッドとピストン頂面とによりスキッシュ発生部を形成し、前記スキッシュ発生部により発生させたスキッシュ流によって前記プラズマ点火装置の前記先端部を冷却させることを特徴とする。
An internal combustion engine comprising the plasma ignition device according to
本発明による請求項2に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関は、請求項1に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関において、前記プラズマ点火装置の前記先端部の端面に前記噴孔が形成され、前記スキッシュ流が前記端面に衝突するように、前記端面は前記スキッシュ流の進行方向と平行とならないようにされていることを特徴とする。
An internal combustion engine comprising the plasma ignition device according to
本発明による請求項3に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関は、請求項1に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関において、前記プラズマ点火装置の前記先端部の側面には、前記チャンバへ通じる流入孔が形成され、前記スキッシュ流が前記流入孔を介して前記チャンバ内へ流入するようになっていることを特徴とする。
An internal combustion engine comprising the plasma ignition device according to
本発明による請求項1に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関によれば、プラズマ点火装置はシリンダヘッドに取り付けられ、シリンダヘッドとピストン頂面とによりスキッシュ発生部を形成し、スキッシュ発生部により発生させたスキッシュ流によってプラズマ点火装置の先端部を冷却させるようになっており、それにより、プラズマ点火装置の先端部に形成された噴孔はスキッシュ流によって良好に冷却され、噴孔の溶損が抑制される。 According to the internal combustion engine comprising the plasma ignition device according to the first aspect of the present invention, the plasma ignition device is attached to the cylinder head, and the squish generating portion is formed by the cylinder head and the piston top surface. The tip of the plasma igniter is cooled by the squish flow, so that the nozzle hole formed at the tip of the plasma igniter is cooled well by the squish flow, and the melting of the nozzle is prevented. It is suppressed.
本発明による請求項2に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関によれば、請求項1に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関において、プラズマ点火装置の先端部の端面に噴孔が形成され、スキッシュ流が先端部の端面に衝突するように、先端部の端面はスキッシュ流の進行方向と平行とならないようにされている。それにより、スキッシュ流により噴孔が確実に冷却されるだけでなく、スキッシュ流は噴孔からチャンバ内へ流入して、スキッシュ流によりチャンバ内も冷却される。
According to the internal combustion engine comprising the plasma ignition device according to
本発明による請求項3に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関によれば、請求項1に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関において、プラズマ点火装置の先端部の側面には、チャンバへ通じる流入孔が形成され、スキッシュ流が流入孔を介してチャンバ内へ流入するようになっている。それにより、スキッシュ流により噴孔が冷却されるだけでなく、チャンバ内へ流入したスキッシュ流によりチャンバ内も冷却される。
According to the internal combustion engine having the plasma ignition device according to
図1は本発明によるプラズマ点火装置を備える内燃機関の実施形態を示す断面図である。同図において、100はプラズマ点火装置であり、シリンダヘッド108の気筒上部略中心に配置されている。101は一対の吸気弁102を介して気筒内へ通じる一対の吸気ポートであり、103は一対の排気弁104を介して気筒内へ通じる一対の排気ポートである。
FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of an internal combustion engine provided with a plasma ignition device according to the present invention. In the figure,
105は、一方の吸気ポート101に配置された第一燃料噴射弁である。また、106は、気筒上部周囲に配置されて、好ましくは、比較的温度の低い気筒上部周囲の一対の吸気ポート101の間に配置されて、気筒内へ直接的に燃料を噴射するための第二燃料噴射弁である。
本内燃機関は、例えば、均質燃焼を実施するものであり、機関運転状態(機関負荷及び機関回転数)に基づいて必要燃料量を決定し、必要燃料量を主に第二燃料噴射弁106により吸気行程において気筒内へ噴射する。必要燃料量が多量となる時には、点火時期までに噴射燃料の気化が不十分となることがあるために、必要燃料量の一部を第一燃料噴射弁により吸気ポート101へ噴射する。
This internal combustion engine performs, for example, homogeneous combustion, determines the required fuel amount based on the engine operating state (engine load and engine speed), and the required fuel amount is mainly determined by the second
しかしながら、本内燃機関は、このような燃料方式に限定されることなく、第二燃料噴射弁106を省略して第一燃料噴射弁105だけにより燃料を噴射するようにしても、第一燃料噴射弁105を省略して第二燃料噴射弁106だけにより燃料を噴射するようにしても良い。また、機関低負荷側においては、第二燃料噴射弁106によって圧縮行程において気筒内へ燃料を噴射して成層混合気を形成し、これを着火燃焼させる成層燃焼を実施するようにしても良い。
However, the internal combustion engine is not limited to such a fuel system, and even if the second
図1は、点火時期直後の圧縮上死点を示しており、この時において、ピストン107の頂面の吸気弁側部分107aとシリンダヘッド108の気筒上部面の吸気弁側部分108aとは略平行に接近してスキッシュ発生部となり、ピストン107の頂面の排気弁側部分107bとシリンダヘッド108の気筒上部面の排気弁側部分108bとの間の比較的広い空間内へ流入するスキッシュ流を発生する。シリンダヘッド108の気筒上部面の吸気弁側部分108aにおいて、特に、二つの吸気ポート101の間の部分がピストン107の頂面の吸気弁側部分107aと接近して生成されるスキッシュ流Sは、シリンダヘッド108の気筒上部略中心に配置されたプラズマ点火装置100の先端部に衝突して、先端部に形成された噴孔を良好に冷却する。もちろん、スキッシュ発生部は、吸気弁側に限定されることなく、排気弁側に形成しても良い。
FIG. 1 shows the compression top dead center immediately after the ignition timing. At this time, the intake
図2は図1のプラズマ点火装置100の先端部近傍の拡大断面図である。プラズマ点火装置100において、プラズマを発生させるチャンバ1は、絶縁体2の筒状先端部2aにより形成される。チャンバ1の一端側には接地電極3が配置され、チャンバ1の他端側には中心電極4が配置されている。5は絶縁体2を覆うと共に溶接等によって接地電極3を一体的に固定するハウジングである。プラズマ点火装置100の先端部100aには、チャンバ1と気筒内とを連通する噴孔6が形成されている。
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the tip of the
本実施形態のプラズマ点火装置100においては、接地電極3がチャンバ1及び気筒内に対向する構造であり、噴孔6は接地電極3を貫通して形成される。また、接地電極の構造によっては、チャンバ1及び気筒内に対向するハウジング部分が存在するようにすることもでき、この場合には、このハウジング部分を貫通するように噴孔を形成することもできる。また、接地電極がチャンバに対向しているがハウジングにより覆われて気筒内に対向していない場合には、接地電極とハウジングとを貫通するように噴孔を形成することができる。
In the
接地電極3及び中心電極4は、耐熱性と高い導電性とを有する金属、例えば、ステンレス等の鉄系金属、ニッケル系金属、又は、イリジウム系金属又はイリジウム合金とすることができる。中心電極4に対して接地電極3を絶縁するための絶縁体2の材質は、セラミックス(例えばアルミナセラミックス)とすることが好ましい。7は中心電極4へ電圧を印加するための導体(例えばニッケル)であり、8は導体7と中心電極4とを電気的に接続するための導電性接着剤である。G1は絶縁体2とハウジング5との間の隙間を密閉するための金属製ガスケットであり、G2はハウジング5とシリンダヘッド108の取付穴との間の隙間を密閉するための金属ガスケットである。
The
図3はプラズマ点火装置の電源制御回路である。図3において、10は電子制御装置ECUにより制御されるトランジスタであり、11は第一バッテリであり、12は点火コイルである。また、13はコンデンサであり、14は第二バッテリ15の制御回路である。
FIG. 3 shows a power supply control circuit of the plasma ignition device. In FIG. 3, 10 is a transistor controlled by the electronic control unit ECU, 11 is a first battery, and 12 is an ignition coil.
このように構成された電源制御回路において、ECUは、先ず、トランジスタ10のスイッチングによって第一バッテリ11の電圧を点火コイル12により増幅して中心電極4と接地電極3との間に印加する。こうして、中心電極4と接地電極3との間に作用する高電圧によって、絶縁体2の筒状先端部2aの内面上の沿面放電が発生し、チャンバ1内の沿面放電近傍のガス(混合気)をプラズマ化させる。こうして、チャンバ1内のガスの一部がプラズマ化されてイオン及び電子が生成されると同時にコンデンサに蓄えられた電圧が放出され、チャンバ1内に気中放電が発生する。制御回路は気中放電が持続するようにだけ比較的低い第二バッテリ15の電圧を中心電極4と接地電極3との間に印加するが、比較的大きな電流を流すことができる。
In the power supply control circuit configured as described above, the ECU first amplifies the voltage of the
こうして、気中放電によってチャンバ1内のガスの大部分がプラズマ化されると、チャンバ1内のガスは高温高圧となってプラズマジェットとして噴孔6から噴射され、気筒内の混合気を良好に着火させる。
Thus, when most of the gas in the
チャンバ1内のガスをプラズマ化させる際に、気中放電に比較して沿面放電の方が低い電圧で発生させることができる。しかしながら、沿面放電だけでチャンバ1内のガスの大部分をプラズマ化させることは、絶縁体2の側壁内面上で長い時間沿面放電を持続させなければならないために効率的ではなく、チャンバ1内に気中放電を発生させることが必要とされる。前述のように、沿面放電により一部のガスをプラズマ化させることにより気中放電を発生させるのに必要な電圧を低くすることができる。こうして、最初に沿面放電を発生させ、次いで気中放電を発生させることにより、それほど高電圧を必要とすることなくチャンバ1内のガスの大部分をプラズマ化させることができる。
When the gas in the
ところで、プラズマを噴出する際に噴孔6は高温となるために、十分に冷却しないと溶損することがある。本実施形態のように、噴孔6が、ハウジング5ではなく、高い耐熱性を有する接地電極3に形成される場合においても、接地電極3はプラズマを発生させる際の沿面放電及び気中放電によっても温度上昇するために、やはり十分な冷却が必要である。
By the way, since the
本実施形態においては、前述したように、点火時期においてプラズマ点火装置100がプラズマを噴射し、その直後の圧縮上死点近傍において、スキッシュ発生部により発生させたスキッシュ流Sによってプラズマ点火装置100の先端部100aを冷却させるようになっており、それにより、プラズマ点火装置100の先端部100aに形成された噴孔6はスキッシュ流Sによって良好に冷却され、噴孔6の溶損が抑制される。
In the present embodiment, as described above, the
また、本実施形態においては、プラズマ点火装置100の先端部100aの端面100bに噴孔6が形成され、スキッシュ流Sが先端部100aの端面100bに衝突するように、先端部100aの端面100bはスキッシュ流Sの進行方向と平行とならないようにされている。本実施形態においては、特に、プラズマ点火装置100の中心軸線を排気弁側に傾斜させて、比較的大きな鋭角度(又は比較的小さな鈍角度)でスキッシュ流が端面100bに衝突するようにしており、それにより、スキッシュ流Sは、噴孔6を確実に冷却するだけでなく、噴孔6からチャンバ1内へ流入し、プラズマの発生に際して高温となっているチャンバ1内、すなわち、絶縁体の筒状先端部2a及び中心電極4もスキッシュ流により冷却される。スキッシュ流Sがチャンバ1内へ流入し易くするために、本実施形態においては、噴孔6の外側縁には面取り6a(又は円弧状の角取りでも良い)が形成されている。
Further, in the present embodiment, the
図4は、本発明によるプラズマ点火装置を備える内燃機関の第二実施形態を示すプラズマ点火装置100’の先端部近傍の拡大断面図である。図1及び2に示す第一実施形態との違いについてのみ以下に説明する。本実施形態のプラズマ点火装置100’の中心軸線は、気筒中心軸線と平行であり傾斜させていない。しかしながら、シリンダヘッド108の気筒上部面は吸気弁側部分108aと排気弁側部分108bとにより形成されるペントルーフ形状であるために、シリンダヘッド108の吸気弁側部分108aに沿うスキッシュ流Sの進行方向と、プラズマ点火装置100’の先端部100a’の端面100b’とは平行とはならず、スキッシュ流Sは先端部100a’の端面100b’に衝突して噴孔6を良好に冷却する。
FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the tip of a
また、本実施形態において、プラズマ点火装置100’の先端部100a’の側面100c’には、チャンバ1へ通じる流入孔5a’が形成され、スキッシュ流S’が流入孔5a’を介してチャンバ1内へ流入するようになっている。それにより、流入孔5a’からチャンバ1内へ流入したスキッシュ流S’により、プラズマの発生に際して高温となっているチャンバ1内、すなわち、絶縁体の筒状先端部2a及び中心電極4も冷却される。
Further, in the present embodiment, an inflow hole 5a ′ communicating with the
1 チャンバ
2 絶縁体
3 接地電極
4 中心電極
5a’ 流入孔
6 噴孔
S、S’ スキッシュ流
100、100’ プラズマ点火装置
100a、100a’ 先端部
DESCRIPTION OF
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Priority Applications (1)
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JP2008292470A JP2010116909A (en) | 2008-11-14 | 2008-11-14 | Internal combustion engine having plasma igniter |
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JP2008292470A JP2010116909A (en) | 2008-11-14 | 2008-11-14 | Internal combustion engine having plasma igniter |
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JP2008292470A Withdrawn JP2010116909A (en) | 2008-11-14 | 2008-11-14 | Internal combustion engine having plasma igniter |
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2008
- 2008-11-14 JP JP2008292470A patent/JP2010116909A/en not_active Withdrawn
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A761 | Written withdrawal of application |
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