JP2010116910A - Internal combustion engine including 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。プラズマ点火装置の先端部には、チャンバと気筒内とを連通する噴孔が形成され、こうして噴孔から気筒内へチャンバ内のプラズマが噴射され、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によって、高い着火性を実現することができる。 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. A nozzle hole communicating the chamber and the cylinder is formed at the tip of the plasma ignition device. Thus, plasma in the chamber is injected from the nozzle hole into the cylinder, and a predetermined air-fuel mixture corresponding to the cross-sectional area of the plasma jet is formed. By igniting the area simultaneously, high ignitability can be realized.
このようなプラズマ点火装置において、先端部には、高温のプラズマジェットを噴射する噴孔が形成されるために、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, a nozzle hole for injecting a high-temperature plasma jet is formed at the tip portion, so that it 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を良好に冷却可能とすることである。 Accordingly, it is an object of the present invention to enable the tip portion of the plasma ignition device to be satisfactorily cooled in an internal combustion engine including 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、プラズマを発生させる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、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁が設けられ、前記燃料噴射弁は、前記プラズマ点火装置の前記先端部の前記噴孔の近傍に直接的に又は間接的に衝突するように燃料を噴射す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前記噴孔の近傍には、衝突燃料の方向を前記噴孔から噴射されるプラズマジェットに沿うように変更する凹部が形成され、前記燃料噴射弁は、成層混合気を形成するための燃料を前記先端部に形成された前記凹部に衝突するように点火時期直前に噴射す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、プラズマを発生させる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、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁が設けられ、この燃料噴射弁は、プラズマ点火装置の先端部の噴孔の近傍に直接的に又は間接的に衝突するように燃料を噴射するようになっている。それにより、プラズマ点火装置の先端部は、噴孔近傍に衝突する燃料によって良好に冷却されて溶損が抑制される。
According to 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噴孔の近傍には、衝突燃料の方向を噴孔から噴射されるプラズマジェットに沿うように変更する凹部が形成され、燃料噴射弁は、成層混合気を形成するための燃料を先端部に形成された凹部に衝突するように点火時期直前に噴射するようになっている。それにより、成層混合気を形成するために燃料噴射弁から噴射された燃料は、プラズマ点火装置の先端部の凹部に衝突して先端部を良好に冷却すると共に、凹部との衝突によりプラズマジェットに沿うように方向を変更されて可燃混合気となり、プラズマジェット近傍の成層混合気が形成されるために、プラズマジェットにより良好に着火燃焼させることができる。
According to the internal combustion engine comprising the plasma ignition device according to
図1は本発明のプラズマ点火装置を備える内燃機関の第一実施形態を示す縦断面図である。同図において、100はプラズマ点火装置であり、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。プラズマ点火装置100は、気筒上部周囲の例えば二つの排気弁104の間に配置されている。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a first embodiment of an internal combustion engine provided with the plasma ignition device of the present invention. In the figure, 100 is a plasma ignition device, 101 is a pair of intake ports that communicate with a cylinder via a pair of
105は、気筒内へ直接的に燃料を噴射する第一燃料噴射弁であり、気筒上部周囲の排気弁104側に配置されたプラズマ点火装置100に対向するように、気筒上部周囲の二つの吸気弁102の間に配置されている。106は一方の吸気ポート101に配置された第二燃料噴射弁である。107はピストンである。
図3は、本実施形態の内燃機関に取り付けられたプラズマ点火装置100の断面図(プラズマ点火装置の中心軸線を通り図1に垂直な面における断面図)である。同図において、1はプラズマ点火装置100の軸線方向に延在するように絶縁体2の筒状先端部2aを側壁として形成されたチャンバであり、3はチャンバ1の一端側に配置された接地電極であり、4はチャンバ1の他端側に配置された中心電極である。
FIG. 3 is a cross-sectional view of 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。5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、6は導体5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。7は絶縁体2を覆うと共に接地電極3を固定するハウジングである。Gは絶縁体2とハウジング7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
8はチャンバ1と気筒内とを連通する二つの噴孔である。本実施形態においては、図3のA−A断面図である図4に示すように、接地電極3はチャンバ1内において直径方向に対向する二つの切欠3aが設けられ、二つの噴孔8は、これら切欠き3aの位置においてハウジング7を貫通するように、プラズマ点火装置100の先端部100aに形成されている。プラズマジェットは、二つの噴孔8から気筒上部の吸気弁側へ向けて、気筒中心軸線に対して垂直な平面上又はこの平面に対して僅かに下方向に傾斜する平面上を進行し、シリンダヘッド及び圧縮上死点近傍のピストン107に衝突しないように噴射される。
図6はプラズマ点火装置の電源制御回路である。図6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. 6 shows a power supply control circuit of the plasma ignition device. In FIG. 6, 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、図3にS1で示すように、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、図3にS2で示すように、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8から気筒内へ噴射される。
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、高温のプラズマを噴射する噴孔8は非常に高温となるために、噴孔8が形成されたプラズマ点火装置100の先端部100aを良好に冷却しないと溶損してしまうことがある。本実施形態において、プラズマを発生させるための沿面放電及び気中放電において電子が集中するために中心電極4より高温となる接地電極3がチャンバ1の一端側として、プラズマ点火装置100の先端部100a側に配置されているために、先端部100aの温度上昇はさらに顕著となる。
By the way, since the
本実施形態の内燃機関においては、図1に示すように、第一燃料噴射弁105が、プラズマ点火装置100の先端部100aの噴孔8の近傍に直接的に衝突するように燃料Fを噴射し、プラズマ点火装置100の先端部100aは、噴孔8近傍に衝突する燃料によって良好に冷却されて溶損を抑制するようになっている。
In the internal combustion engine of the present embodiment, as shown in FIG. 1, the fuel F is injected so that the first
こうして、第一燃料噴射弁105により噴射された燃料によりプラズマ点火装置100の先端部100aを冷却するだけであれば、第一燃料噴射弁105は、噴射燃料がプラズマ点火装置100の先端部100aに到達する前に燃焼してしまう時(例えば膨張行程初期)を除き、先端部100aの冷却のための燃料を噴射することができる。例えば、均質燃料を実施する場合には、機関運転状態(機関回転数及び機関負荷)により定まる必要燃料量の大部分を第二燃料噴射弁106により吸気開弁前(吸気非同期)又は吸気行程(吸気同期)で噴射し、残り一部の燃料を吸気行程又は圧縮行程において第一燃料噴射弁105により噴射するようにすれば良い。
Thus, if only the
また、燃焼空燃比がリーンとされる場合において、機関排気系に配置されたNOX吸蔵還元触媒装置の再生処理又はS被毒回復処理のために、第一燃料噴射弁105により排気行程で燃料を噴射して、排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とするようにしても良い。
Further, when the combustion air-fuel ratio is made lean, the fuel is discharged in the exhaust stroke by the first
これらの均質燃焼において、第二燃料噴射弁106を省略して、第二燃料噴射弁106により噴射されるはずの燃料を第一燃料噴射弁105により吸気行程において噴射してプラズマ点火装置100の先端部100aに衝突させるようにしても良い。
In these homogeneous combustions, the second
第一燃料噴射弁105により圧縮行程において燃料を噴射して気筒内に成層混合気を形成して着火燃焼させる成層燃焼、このような成層混合気を着火燃焼させて回りのリーン空燃比の均質混合気(第一燃料噴射弁105により吸気行程で噴射させる燃料により形成するか又は第二燃料噴射弁106による吸気同期又は非同期の燃料噴射により形成する)を火炎伝播により燃焼させる成層燃焼、又は、このような成層混合気を着火燃焼させて成層混合気の温度上昇及び圧力上昇により回りのリーン空燃比の均質混合気(第一燃料噴射弁105により吸気行程で噴射させる燃料により形成するか又は第二燃料噴射弁106による吸気同期又は非同期の燃料噴射により形成する)を自着火燃焼させるアシスト自着火燃焼等においては、プラズマ点火装置100により成層混合気を確実に着火燃焼させなければならない。
Stratified combustion in which fuel is injected in the compression stroke by the first
このために、プラズマ点火装置100の先端部100aの噴孔8の近傍には、図3及び図3のB矢視図である図5に示すように、衝突燃料の方向を噴孔から噴射されるプラズマジェットに沿うように変更する凹部9が形成されている。本実施形態において、凹部9は、図3の断面と平行な断面において円弧形状を有し、また、プラズマ点火装置の中心軸線を通り図3に垂直な面と平行な断面においても円弧形状を有し、図5に示すように二つの噴孔8の間に延在する長円形状又は楕円形状である。
For this purpose, the direction of the collision fuel is injected from the nozzle hole in the vicinity of the
こうして、図1の気筒内平面図である図2に示すように、第一燃料噴射弁105が、成層混合気を形成するための燃料F1を点火時期直前においてプラズマ点火装置100の先端部100aの凹部9の中央に衝突するように噴射すると、燃料F1は凹部9への衝突後に左右に分離し、それぞれf1及びf2が凹部9の円弧断面形状に沿って、点火時期に各噴孔8から噴射されるプラズマジェットJ1及びJ2に沿うように方向を変更されて進行して、可燃混合気となる。それにより、プラズマジェットJ1及びJ2近傍に成層混合気が形成され、プラズマジェットJ1及びJ2により確実に着火燃焼させることができる。本実施形態において、凹部9の中央には接地電極3を露出させて接地電極3に燃料が衝突するようにしており、高温となる接地電極3も直接的に冷却することができる。
Thus, as shown in FIG. 2 which is a plan view in the cylinder of FIG. 1, the first
図7は本発明の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縦断面図である。第一実施形態との違いについてのみ以下に説明する。本実施形態において、プラズマ点火装置100’は気筒上部略中心に配置されている。ピストン107’の頂面にはキャビティ107a’が形成され、第一燃料噴射弁105’は、成層混合気を形成するための燃料F2を点火時期直前においてピストン107’のキャビティ107a’内へ噴射する。
FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing a second embodiment of the internal combustion engine provided with the plasma ignition device of the present invention. Only differences from the first embodiment will be described below. In the present embodiment, the
キャビティ107a’は、ピストン107’の平面図である図8に示すように、幅が徐々に狭められ、プラズマ点火装置100の先端部100aの略真下に位置する円弧断面を有する終端壁107b’で終端している。キャビティ107a’の底壁は円弧縦断面により終端壁107b’に滑らかに接続されている。それにより、第一燃料噴射弁105’により吸気行程又は圧縮行程又は排気行程においてピストン107’のキャビティ107a’内へ燃料を噴射すれば、噴射燃料は、キャビティ107a’によって方向を変えられ、終端壁107b’に沿って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100a’へ導かれる。こうして噴射燃料を間接的にプラズマ点火装置100’の先端部100a’へ衝突させることにより噴孔が形成された先端部100a’を良好に冷却することができる。
As shown in FIG. 8, which is a plan view of the
図9は、本実施形態の内燃機関に取り付けられたプラズマ点火装置100’の縦断面図である。第一実施形態のプラズマ点火装置100との違いについてのみ以下に説明する。本プラズマ点火装置100’において、8’はチャンバ1と気筒内とを連通する例えば四つの噴孔であり、本実施形態においては、図9のC−C断面図である図10に示すように、接地電極3’はチャンバ1内において90度の角度間隔で周囲に形成された四つの切欠3a’が設けられ、四つの噴孔8’は、これら切欠き3a’の位置において絶縁体の筒状先端部2a’及びハウジング7’を貫通するように、プラズマ点火装置100’の先端部100a’に形成されている。プラズマジェットは、これら四つの噴孔8’から気筒上部周囲へ向けて斜め下方向にシリンダヘッド及び圧縮上死点近傍のピストン107’に衝突しないように噴射される。
FIG. 9 is a longitudinal sectional view of a
第一燃料噴射弁105’から点火時期直前に成層混合気を形成するための燃料が噴射される場合において、プラズマ点火装置100’の先端部100a’の噴孔8’の近傍には、図9及び図9のD矢視図である図11に示すように、衝突燃料の方向を噴孔から噴射されるプラズマジェットに沿うように変更する凹部9’が形成されている。本実施形態において、凹部9’は、図11に示すように十字形状を有し、図9に示すように、十字を形成する二つの部分のそれぞれは、第一実施形態のプラズマ点火装置100の先端部100aの凹部9と同じ断面形状とされている。
When fuel for forming a stratified mixture is injected from the first
それにより、図7に示すように、第一燃料噴射弁105’が、成層混合気を形成するための燃料F2を、点火時期直前においてピストン107’の頂面のキャビティ107a’を介して間接的に、プラズマ点火装置100’の先端部100a’の凹部9’の中央に衝突するように噴射すると、燃料F2は凹部9’への衝突後に前後左右に分離し、それぞれf3からf6が十字形の凹部9’のそれぞれの円弧断面形状に沿って、点火時期に各噴孔8’から噴射されるプラズマジェットJ3からJ6に沿うように方向を変更されて進行して、可燃混合気となる。それにより、プラズマジェットJ3からJ6近傍に成層混合気が形成され、プラズマジェットJ3からJ6により確実に着火燃焼させることができる。ここで、図7には、左右方向に分離する燃料f3及びf5と、これらに対応するプラズマジェットJ3及びJ5とは図示されているが、前後方向(図7に垂直な方向)に分離する燃料f4及びf6と、これらに対応するプラズマジェットJ4及びJ6とは図示されていない。本実施形態においても、凹部9’の中央には接地電極3’を露出させて接地電極3’に燃料が衝突するようにしており、高温となる接地電極3’も直接的に冷却することができる。
Thereby, as shown in FIG. 7, the first
第一実施形態及び第二実施形態において、前述したアシスト自着火燃焼の場合に、プラズマジェットにより着火燃焼させる成層混合気を形成するための点火時期直前の燃料噴射の直前に燃料を噴射することにより、プラズマジェットにより着火燃焼させない成層混合気を気筒内に形成するようにしても良い。この成層混合気は、自着火させる均質混合気より僅かにリッチ側の空燃比とされ、プラズマジェットによる成層混合気の着火燃焼により気筒内が温度上昇及び圧力上昇すると、均質混合気より先に自着火燃焼して、気筒内の温度及び圧力をさらに上昇させ、それにより、均質混合気を自着火燃焼させる。このように自着火させる成層混合気を形成すれば、その分は、均質混合気の燃料量を少なくすることができ、均質混合気の自着火に際しての騒音を低減することができる。 In the first embodiment and the second embodiment, in the case of the assist auto-ignition combustion described above, by injecting fuel immediately before fuel injection immediately before the ignition timing for forming a stratified mixture to be ignited and combusted by a plasma jet Alternatively, a stratified mixture that is not ignited and combusted by the plasma jet may be formed in the cylinder. This stratified mixture has an air-fuel ratio slightly richer than that of the homogeneous mixture to be ignited. If the temperature and pressure rise in the cylinder due to the ignited combustion of the stratified mixture by the plasma jet, the stratified mixture will spontaneously precede the homogeneous mixture. By igniting and burning, the temperature and pressure in the cylinder are further increased, whereby the homogeneous mixture is self-ignited and burned. If a stratified mixture to be self-ignited is formed in this way, the amount of fuel in the homogeneous mixture can be reduced, and noise during the ignition of the homogeneous mixture can be reduced.
1 チャンバ
2、2’ 絶縁体
3、3’ 接地電極
4 中心電極
8、8’ 噴孔
9、9’ 凹部
100、100’ プラズマ点火装置
100a、100a’ 先端部
105 第一燃料噴射弁
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