JP2010216463A - Method for igniting internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for igniting an internal combustion engine, performing ignition with less energy than normal spark discharge, achieving the low consumption of the discharge electrode of an ignition plug, improving fuel economy, and reducing the amount of NOx emitted and the amount of CO<SB>2</SB>emitted. <P>SOLUTION: In this method for igniting the internal combustion engine, under the presence of combustible gas containing combustible material and combustion-supporting gas under positive pressure higher than atmospheric pressure, burst is generated by causing pulse streamer discharges repeatedly for a plurality of times at intervals of 100 μs or less. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、少ないエネルギーで点火可能な内燃機関の点火方法に関する。   The present invention relates to an ignition method for an internal combustion engine capable of igniting with less energy.

内燃機関は、燃焼室内部で燃料を燃焼させて動力を取り出す機械で、熱エネルギーを機械的エネルギーに変換する熱機関の一種に分類されるものであり、例えばピストンエンジンがこれにあたる。ピストンエンジンの一種であるガソリンエンジンは、ガソリン機関とも呼ばれ、可燃性ガスであるガソリンと空気の混合気をピストンで圧縮した後に点火、燃焼、及び膨張させることによってピストンを往復運動させる内燃機関である。   An internal combustion engine is a machine that takes out power by burning fuel in a combustion chamber, and is classified into a kind of heat engine that converts thermal energy into mechanical energy. For example, a piston engine corresponds to this. A gasoline engine, which is a kind of piston engine, is also called a gasoline engine. It is an internal combustion engine that reciprocates a piston by igniting, burning, and expanding a mixture of combustible gas gasoline and air after it is compressed by the piston. is there.

ガソリンエンジンの燃焼は、通常、ガソリンを含む混合気に、スパーク放電により点火(着火)させる役割を有する点火プラグを用いて開始される。可燃性ガスの点火には、このスパーク放電が主として用いられている。スパーク放電は、簡便な放電回路を用いて点火可能である点において優れている。しかしながら、放電領域が点火プラグの電極近傍に限られるため、電極直近の熱伝導で熱が奪われる領域において火炎の核形成が行われる。リーン運転や希釈運転時には、火炎の核形成領域が更に小さくなるため、点火後、火炎伝播するまでに失火してしまう場合が多いという不都合がある。   The combustion of a gasoline engine is usually started by using an ignition plug having a role of igniting (igniting) an air-fuel mixture containing gasoline by spark discharge. This spark discharge is mainly used for ignition of combustible gas. Spark discharge is excellent in that it can be ignited using a simple discharge circuit. However, since the discharge region is limited to the vicinity of the electrode of the spark plug, flame nucleation is performed in a region where heat is taken away by heat conduction in the immediate vicinity of the electrode. During lean operation or dilution operation, the nucleation region of the flame is further reduced, and thus there is a disadvantage that misfire often occurs after ignition until the flame propagates.

自動車用ガソリンエンジンにおいては、このような不都合を回避すべく、イリジウム等耐久性の高い材料を放電電極とすることにより電極体積を最小に抑え、電極による吸熱及び放熱を小さくして火炎の冷却を防いでいる。また、火炎伝播を確実にすべく、スパーク放電のために大きなエネルギーを付与し、放電を維持させる試みもなされている。   In automobile gasoline engines, in order to avoid such inconvenience, the electrode volume is minimized by using a highly durable material such as iridium as the discharge electrode, and the heat absorption and heat dissipation by the electrode is reduced to reduce the cooling of the flame. It is preventing. In addition, in order to ensure flame propagation, an attempt has been made to apply a large energy for spark discharge and maintain the discharge.

但し、点火プラグから大きな電流を流す必要があるため、蓄電容量を大きくする必要がある。このため、蓄電するのに約1msもの時間を必要としている。また、気流の影響によって、混合気の濃度が点火プラグの放電部近傍において変化する場合がある。このため、放電部近傍における混合気が点火時に希薄状態となっているような場合には、失火するおそれがあった。これらの問題を解消すべく、点火の度にスパーク放電を複数回行い、点火を確実にする試みがなされている(例えば、特許文献1参照)。一方、火炎伝播そのものを助長する試みも行われている。例えば、レーザーを用いる点火方式(例えば、特許文献2参照)や、高いパルス電圧を印加して大きな電流を流さずに放電点火させる試みがなされている。   However, since it is necessary to flow a large current from the spark plug, it is necessary to increase the storage capacity. For this reason, it takes about 1 ms to store electricity. Further, the concentration of the air-fuel mixture may change near the discharge part of the spark plug due to the influence of the airflow. For this reason, when the air-fuel mixture in the vicinity of the discharge portion is in a lean state at the time of ignition, there is a risk of misfire. In order to solve these problems, attempts have been made to ensure ignition by performing spark discharge a plurality of times for each ignition (for example, see Patent Document 1). On the other hand, attempts have been made to promote flame propagation itself. For example, an ignition method using a laser (see, for example, Patent Document 2) and attempts to ignite a discharge without applying a large current by applying a high pulse voltage.

特開2004−79458号公報JP 2004-79458 A 特表平8−505676号公報JP-T 8-505676

従来のガソリンエンジンにおける空気対燃料質量比(空燃比、A/F)は、ほぼ14.7であり、酸素と燃料が過不足なく燃焼する理論空燃比に近いものであった。従って、発生する三種類の有害ガス(炭化水素、一酸化炭素、及び窒素酸化物)を除去する三元触媒を機能させるためには、酸素リッチのリーンバーン(希薄燃焼)を採用することは困難であった。ところが、近時開発される自動車に対しては、地球温暖化防止のために燃費の向上、及び排出される二酸化炭素(CO2)量の低減が要求されており、これらの要求を満足すべくリーンバーンエンジンが再び注目されつつある。 The air-fuel mass ratio (air-fuel ratio, A / F) in a conventional gasoline engine is approximately 14.7, which is close to the stoichiometric air-fuel ratio at which oxygen and fuel burn without excess or deficiency. Therefore, it is difficult to employ oxygen-rich lean burn in order to make the three-way catalyst to remove the three types of harmful gases (hydrocarbon, carbon monoxide, and nitrogen oxide) generated. Met. However, recently developed automobiles are required to improve fuel economy and reduce the amount of carbon dioxide (CO 2 ) emitted to prevent global warming, and to satisfy these requirements. Lean burn engines are getting attention again.

一方、発生する三種類の有害ガス(炭化水素、一酸化炭素、及び窒素酸化物)を除去するためには三元触媒が必要であり、三元触媒を機能させるためには理論空燃比近傍の酸素分圧の低い排ガス組成が必須である。したがって従来の空燃比が十分大きくないリーンバーン(希薄燃焼)運転では燃焼温度がまだ高いため窒素酸化物が発生し、酸素リッチであるため三元触媒だけで還元することができず、燃費が向上し難いとともに、酸化雰囲気で使用可能な触媒を過剰に搭載しなければならないためにコスト高になるという問題もあり、リーンバーン(希薄燃焼)エンジンを採用することは困難であった。   On the other hand, a three-way catalyst is necessary to remove the three types of harmful gases (hydrocarbon, carbon monoxide, and nitrogen oxide) that are generated. An exhaust gas composition having a low oxygen partial pressure is essential. Therefore, in lean burn operation where the air-fuel ratio is not large enough, the combustion temperature is still high, so nitrogen oxide is generated, and because it is rich in oxygen, it cannot be reduced with only a three-way catalyst, improving fuel efficiency. In addition, it is difficult to employ a lean burn (lean combustion) engine because there is a problem that the catalyst must be mounted in excess in an oxidizing atmosphere and the cost becomes high.

しかしながら、空燃比を十分高め(当量比を十分に下げ)、燃焼温度を大きく下げることができれば、燃費の向上のみならず、窒素酸化物の発生を抑制することができ、還元触媒が不要になるため、高トルク・高回転で用いる理論空燃比近傍混合気燃焼排ガス浄化用三元触媒の搭載だけで済み、コスト低減にもなる。   However, if the air-fuel ratio can be sufficiently increased (equivalent ratio is sufficiently reduced) and the combustion temperature can be greatly reduced, not only the fuel consumption can be improved, but also the generation of nitrogen oxides can be suppressed, and a reduction catalyst becomes unnecessary. Therefore, it is only necessary to install a three-way catalyst for purifying the exhaust gas near the stoichiometric air-fuel ratio used at high torque and high rotation, and the cost can be reduced.

従来のアーク放電点火では、混合気の流れを強力にスワール又はタンブルさせ、主として火炎伝播を工夫することで混合気を燃焼させていた。即ち、混合気の温度を高めて燃焼の立ち消えを防止せざるを得ないために、火炎が高温となってしまい、窒素酸化物が多量に発生してしまうという問題があった。   In the conventional arc discharge ignition, the air-fuel mixture is burned by strongly swirling or tumbling the air-fuel mixture and mainly devising flame propagation. That is, since the temperature of the air-fuel mixture has to be increased to prevent the disappearance of combustion, there is a problem that the flame becomes high temperature and a large amount of nitrogen oxide is generated.

また、アーク放電点火では、アーク放電の寸前にわずかな放電でガスの活性化を行う。しかしながら、パルスの立ち上がりが遅いために十分な活性状態には至らない場合がほとんどであり、その効果はほとんど無視できるレベルであった。このため、電流を如何に多く流せるかによって、アーク放電による点火が支配されると考えられている。また、特許文献1で開示されたような、点火の度にスパーク放電を複数回行う方式によれば、アーク放電の電流を供給する充電のために平均で約1msもの時間を必要としていた。このため、点火最適時点で2回以上のアーク放電を繰り返し行うことは極めて困難であった。また、アーク放電点火では電流値が大きいため、点火プラグの放電電極の消耗も激しかった。   In the arc discharge ignition, the gas is activated with a slight discharge just before the arc discharge. However, since the rise of the pulse is slow, the active state is often not reached, and the effect is almost negligible. For this reason, it is thought that the ignition by arc discharge is governed by how much current can flow. Further, according to the method of performing spark discharge a plurality of times for each ignition as disclosed in Patent Document 1, it takes about 1 ms on average for charging to supply an arc discharge current. For this reason, it has been extremely difficult to repeatedly perform arc discharge twice or more at the optimal ignition timing. In addition, since the current value is large in the arc discharge ignition, the discharge electrode of the spark plug was also consumed heavily.

本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、通常のスパーク放電に比して少ないエネルギーで点火可能であり、点火プラグの放電電極の消耗が少なく、燃費が向上し、排出される窒素酸化物及び二酸化炭素(CO2)量が少ない内燃機関の点火方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and the object of the present invention is to ignite with less energy than a normal spark discharge, and to a discharge electrode of a spark plug. It is an object of the present invention to provide an ignition method for an internal combustion engine that consumes less, improves fuel consumption, and emits less nitrogen oxides and carbon dioxide (CO 2 ).

本発明者らは上記課題を達成すべく鋭意検討した結果、以下の構成とすることによって上記課題を達成することが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to achieve the above-mentioned problems, the present inventors have found that the above-described problems can be achieved by adopting the following configuration, and have completed the present invention.

即ち、本発明によれば、以下に示す内燃機関の点火方法が提供される。   That is, according to the present invention, the following ignition method for an internal combustion engine is provided.

[1]大気圧以上の正圧下、可燃性物質と支燃性ガスを含む可燃性気体の存在下において、下記条件(1)を満たすパルスストリーマ放電を100μs以下の間隔で複数回繰り返し引き起こしてバースト発生させる内燃機関の点火方法(以下、「第一の点火方法」ともいう)。
[条件(1)]:パルス幅、温度、電圧、電流、及び気圧を一定とした状態で点火プラグの電極間にパルス電圧を印加し、横軸にピーク電界強度、及び縦軸にピーク電流密度をそれぞれプロットして得られるグラフにおいて、前記ピーク電界強度と前記ピーク電流密度のいずれかが急激に変化する変曲点のうち、放電開始から数えて2番目の第2変曲点から3番目の第3変曲点までの間に発生するパルス放電。
[1] Burst by repeatedly causing pulse streamer discharge satisfying the following condition (1) at an interval of 100 μs or less in the presence of a combustible gas containing a combustible substance and a combustion-supporting gas under a positive pressure of atmospheric pressure or higher. An internal combustion engine ignition method to be generated (hereinafter also referred to as “first ignition method”).
[Condition (1)]: A pulse voltage is applied between the electrodes of the spark plug in a state where the pulse width, temperature, voltage, current, and atmospheric pressure are constant, the peak electric field strength is plotted on the horizontal axis, and the peak current density is plotted on the vertical axis. In the graph obtained by plotting each of the above, the third inflection point from the second second inflection point counted from the start of discharge among the inflection points at which either the peak electric field strength or the peak current density changes rapidly. Pulse discharge that occurs until the third inflection point.

[2]前記パルスストリーマ放電を引き起こす前に、下記条件(2)を満たすファインパルスストリーマ放電及び/又はグロー放電を引き起こす前記[1]に記載の内燃機関の点火方法。
[条件(2)]:パルス幅、温度、電圧、電流、及び気圧を一定とした状態で点火プラグの電極間にパルス電圧を印加し、横軸にピーク電界強度、及び縦軸にピーク電流密度をそれぞれプロットして得られるグラフにおいて、前記ピーク電界強度と前記ピーク電流密度のいずれかが急激に変化する変曲点のうち、放電開始から数えて1番目の第1変曲点から2番目の第2変曲点までの間に発生するパルス放電。
[2] The ignition method for an internal combustion engine according to [1], wherein a fine pulse streamer discharge and / or a glow discharge satisfying the following condition (2) is caused before causing the pulse streamer discharge.
[Condition (2)]: A pulse voltage is applied between the electrodes of the spark plug in a state where the pulse width, temperature, voltage, current, and atmospheric pressure are constant, the peak electric field strength is plotted on the horizontal axis, and the peak current density is plotted on the vertical axis. In the graph obtained by plotting each of the above, the second inflection point from the first inflection point counted from the start of discharge among the inflection points at which either the peak electric field strength or the peak current density changes rapidly. Pulse discharge generated up to the second inflection point.

[3]大気圧以上の正圧下、可燃性物質と支燃性ガスを含む可燃性気体の存在下において、下記条件(2)を満たすファインパルスストリーマ放電を100μs以下の間隔で繰り返し引き起こし、バースト発生させる内燃機関の点火方法(以下、「第二の点火方法」ともいう)。
[条件(2)]:パルス幅、温度、電圧、電流、及び気圧を一定とした状態で点火プラグの電極間にパルス電圧を印加し、横軸にピーク電界強度、及び縦軸にピーク電流密度をそれぞれプロットして得られるグラフにおいて、前記ピーク電界強度と前記ピーク電流密度のいずれかが急激に変化する変曲点のうち、放電開始から数えて1番目の第1変曲点から2番目の第2変曲点までの間に発生するパルス放電。
[3] A fine pulse streamer discharge satisfying the following condition (2) is repeatedly generated at intervals of 100 μs or less in the presence of a flammable gas containing a flammable substance and a combustion-supporting gas under a positive pressure of atmospheric pressure or higher, and a burst is generated. An internal combustion engine ignition method (hereinafter also referred to as “second ignition method”).
[Condition (2)]: A pulse voltage is applied between the electrodes of the spark plug in a state where the pulse width, temperature, voltage, current, and atmospheric pressure are constant, the peak electric field strength is plotted on the horizontal axis, and the peak current density is plotted on the vertical axis. In the graph obtained by plotting each of the above, the second inflection point from the first inflection point counted from the start of discharge among the inflection points at which either the peak electric field strength or the peak current density changes rapidly. Pulse discharge generated up to the second inflection point.

[4]大気圧以上の正圧下、可燃性物質と支燃性ガスを含む可燃性気体の存在下において、下記条件(2)を満たすファインパルスストリーマ放電を100μs以下の間隔で繰り返し引き起こしておくと同時に、点火タイミングに合わせて下記条件(1)を満たすパルスストリーマ放電を引き起こし、バースト発生させる内燃機関の点火方法(以下、「第三の点火方法」ともいう)。
[条件(1)]:パルス幅、温度、電圧、電流、及び気圧を一定とした状態で点火プラグの電極間にパルス電圧を印加し、横軸にピーク電界強度、及び縦軸にピーク電流密度をそれぞれプロットして得られるグラフにおいて、前記ピーク電界強度と前記ピーク電流密度のいずれかが急激に変化する変曲点のうち、放電開始から数えて2番目の第2変曲点から3番目の第3変曲点までの間に発生するパルス放電。
[条件(2)]:パルス幅、温度、電圧、電流、及び気圧を一定とした状態で点火プラグの電極間にパルス電圧を印加し、横軸にピーク電界強度、及び縦軸にピーク電流密度をそれぞれプロットして得られるグラフにおいて、前記ピーク電界強度と前記ピーク電流密度のいずれかが急激に変化する変曲点のうち、放電開始から数えて1番目の第1変曲点から2番目の第2変曲点までの間に発生するパルス放電。
[4] When a fine pulse streamer discharge satisfying the following condition (2) is repeatedly caused at an interval of 100 μs or less in the presence of a combustible gas including a combustible substance and a combustion-supporting gas under a positive pressure of atmospheric pressure or higher. At the same time, an ignition method for an internal combustion engine that causes a pulse streamer discharge that satisfies the following condition (1) in accordance with the ignition timing to generate a burst (hereinafter also referred to as “third ignition method”).
[Condition (1)]: A pulse voltage is applied between the electrodes of the spark plug in a state where the pulse width, temperature, voltage, current, and atmospheric pressure are constant, the peak electric field strength is plotted on the horizontal axis, and the peak current density is plotted on the vertical axis. In the graph obtained by plotting each of the above, the third inflection point from the second second inflection point counted from the start of discharge among the inflection points at which either the peak electric field strength or the peak current density changes rapidly. Pulse discharge that occurs until the third inflection point.
[Condition (2)]: A pulse voltage is applied between the electrodes of the spark plug in a state where the pulse width, temperature, voltage, current, and atmospheric pressure are constant, the peak electric field strength is plotted on the horizontal axis, and the peak current density is plotted on the vertical axis. In the graph obtained by plotting each of the above, the second inflection point from the first inflection point counted from the start of discharge among the inflection points at which either the peak electric field strength or the peak current density changes rapidly. Pulse discharge generated up to the second inflection point.

[5]大気圧以上の正圧下、可燃性物質と支燃性ガスを含む可燃性気体の存在下において、下記条件(2)を満たす1回以上のファインパルスストリーマ放電と、前記ファインパルスストリーマ放電に続く下記条件(1)を満たす1回以上のパルスストリーマ放電との組み合わせを1組以上引き起こし、バースト発生させる内燃機関の点火方法(以下、「第四の点火方法」ともいう)。
[条件(1)]:パルス幅、温度、電圧、電流、及び気圧を一定とした状態で点火プラグの電極間にパルス電圧を印加し、横軸にピーク電界強度、及び縦軸にピーク電流密度をそれぞれプロットして得られるグラフにおいて、前記ピーク電界強度と前記ピーク電流密度のいずれかが急激に変化する変曲点のうち、放電開始から数えて2番目の第2変曲点から3番目の第3変曲点までの間に発生するパルス放電。
[条件(2)]:パルス幅、温度、電圧、電流、及び気圧を一定とした状態で点火プラグの電極間にパルス電圧を印加し、横軸にピーク電界強度、及び縦軸にピーク電流密度をそれぞれプロットして得られるグラフにおいて、前記ピーク電界強度と前記ピーク電流密度のいずれかが急激に変化する変曲点のうち、放電開始から数えて1番目の第1変曲点から2番目の第2変曲点までの間に発生するパルス放電。
[5] One or more fine pulse streamer discharges satisfying the following condition (2) in the presence of a combustible gas including a combustible substance and a combustion-supporting gas under a positive pressure of atmospheric pressure or higher, and the fine pulse streamer discharge: An ignition method for an internal combustion engine that causes one or more combinations with one or more pulse streamer discharges that satisfy the following condition (1) to generate a burst (hereinafter also referred to as “fourth ignition method”).
[Condition (1)]: A pulse voltage is applied between the electrodes of the spark plug in a state where the pulse width, temperature, voltage, current, and atmospheric pressure are constant, the peak electric field strength is plotted on the horizontal axis, and the peak current density is plotted on the vertical axis. In the graph obtained by plotting each of the above, the third inflection point from the second second inflection point counted from the start of discharge among the inflection points at which either the peak electric field strength or the peak current density changes rapidly. Pulse discharge that occurs until the third inflection point.
[Condition (2)]: A pulse voltage is applied between the electrodes of the spark plug in a state where the pulse width, temperature, voltage, current, and atmospheric pressure are constant, the peak electric field strength is plotted on the horizontal axis, and the peak current density is plotted on the vertical axis. In the graph obtained by plotting each of the above, the second inflection point from the first inflection point counted from the start of discharge among the inflection points at which either the peak electric field strength or the peak current density changes rapidly. Pulse discharge generated up to the second inflection point.

[6]前記パルスストリーマ放電を引き起こす電気パルスの電界強度が3〜15kV/mmであるとともに、前記パルスストリーマ放電の立ち上がり時における電圧上昇率(dV/dt)が50kV/μs以上である前記[1]、[2]、[4]、及び[5]のいずれかに記載の内燃機関の点火方法。   [6] The electric field intensity of the electric pulse that causes the pulse streamer discharge is 3 to 15 kV / mm, and the voltage increase rate (dV / dt) at the rise of the pulse streamer discharge is 50 kV / μs or more. ] The ignition method for an internal combustion engine according to any one of [2], [4], and [5].

[7]前記パルスストリーマ放電を引き起こす電気パルスの電界強度が5〜10kV/mmである前記[6]に記載の内燃機関の点火方法。   [7] The internal combustion engine ignition method according to [6], wherein an electric field intensity of the electric pulse causing the pulse streamer discharge is 5 to 10 kV / mm.

[8]前記パルスストリーマ放電を引き起こす電気パルスの電界強度が7〜10kV/mmである前記[6]に記載の内燃機関の点火方法。   [8] The ignition method for an internal combustion engine according to [6], wherein the electric field intensity of the electric pulse causing the pulse streamer discharge is 7 to 10 kV / mm.

[9]前記ファインパルスストリーマ放電を引き起こす電気パルスの電界強度が5〜13kV/mmである前記[2]〜[6]のいずれかに記載の内燃機関の点火方法。   [9] The ignition method for an internal combustion engine according to any one of [2] to [6], wherein an electric field intensity of an electric pulse causing the fine pulse streamer discharge is 5 to 13 kV / mm.

[10]前記ファインパルスストリーマ放電を引き起こす電気パルスの電界強度が7〜13kV/mmである前記[9]に記載の内燃機関の点火方法。   [10] The ignition method for an internal combustion engine according to [9], wherein an electric field intensity of an electric pulse causing the fine pulse streamer discharge is 7 to 13 kV / mm.

[11]前記ファインパルスストリーマ放電を引き起こす電気パルスの電界強度が7〜11kV/mmである前記[9]に記載の内燃機関の点火方法。   [11] The ignition method for an internal combustion engine according to [9], wherein an electric field intensity of an electric pulse causing the fine pulse streamer discharge is 7 to 11 kV / mm.

[12]静電誘導型サイリスタをスイッチングデバイスとするパルス電源により電気パルスを発生させて放電させる前記[1]〜[11]のいずれかに記載の内燃機関の点火方法。   [12] The ignition method for an internal combustion engine according to any one of [1] to [11], wherein an electric pulse is generated and discharged by a pulse power source using an electrostatic induction thyristor as a switching device.

[13]前記パルス電源が、誘導エネルギー蓄積型電源回路である前記[12]に記載の内燃機関の点火方法。   [13] The internal combustion engine ignition method according to [12], wherein the pulse power supply is an inductive energy storage type power supply circuit.

[14]前記パルス電源を用いて発生させる電気パルスの電圧を、誘導エネルギー蓄積時間により制御する前記[12]又は[13]に記載の内燃機関の点火方法。   [14] The ignition method for an internal combustion engine according to [12] or [13], wherein a voltage of an electric pulse generated using the pulse power source is controlled by an induction energy storage time.

[15]前記パルス電源を用いて発生させる電気パルスの、電圧、間隔、回数、及びこれらの組み合わせを、エンジン制御ユニット(ECU)により制御する前記[12]〜[14]のいずれかに記載の内燃機関の点火方法。   [15] The voltage according to any one of [12] to [14], wherein the voltage, interval, number of times, and a combination thereof of the electric pulse generated using the pulse power source are controlled by an engine control unit (ECU). Ignition method for internal combustion engine.

[16]前記可燃性物質が、メタン、プロパン、ガソリン、軽油、植物由来燃料、水素、及び合成化学燃料からなる群より選択される少なくとも一種である前記[1]〜[15]のいずれかに記載の内燃機関の点火方法。   [16] Any one of [1] to [15], wherein the combustible substance is at least one selected from the group consisting of methane, propane, gasoline, light oil, plant-derived fuel, hydrogen, and synthetic chemical fuel. The ignition method of the internal combustion engine as described.

[17]前記支燃性ガスが、空気及び/又は酸素であるとともに、窒素、二酸化炭素、及び燃焼排ガスからなる群より選択される少なくとも一種の希釈ガスが前記可燃性気体に含まれる前記[1]〜[16]のいずれかに記載の内燃機関の点火方法。   [17] The combustible gas may be air and / or oxygen, and at least one dilution gas selected from the group consisting of nitrogen, carbon dioxide, and combustion exhaust gas may be included in the combustible gas. ] The ignition method for an internal combustion engine according to any one of [16] to [16].

本発明の内燃機関の点火方法は、通常のスパーク放電に比して少ないエネルギーで点火可能であり、点火プラグの放電電極の消耗が少なく、燃費が向上し、排出される窒素酸化物及び二酸化炭素(CO2)量が少ないといった効果を奏する。 The ignition method for an internal combustion engine of the present invention can be ignited with less energy than ordinary spark discharge, consumes less discharge electrodes of the spark plug, improves fuel consumption, and emits nitrogen oxides and carbon dioxide There is an effect that the amount of (CO 2 ) is small.

本発明の第一の点火方法の一実施形態を模式的に示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows typically one Embodiment of the 1st ignition method of this invention. 本発明の第一の点火方法の他の実施形態を模式的に示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows typically other embodiment of the 1st ignition method of this invention. 本発明の第二の点火方法の一実施形態を模式的に示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows typically one Embodiment of the 2nd ignition method of this invention. 本発明の第三の点火方法の一実施形態を模式的に示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows typically one Embodiment of the 3rd ignition method of this invention. 本発明の第四の点火方法の一実施形態を模式的に示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows typically one Embodiment of the 4th ignition method of this invention. IES回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of an IES circuit. IES回路の動作を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows operation | movement of an IES circuit. 放電の状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the state of discharge. ピーク電界強度とピーク電流密度の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between peak electric field strength and peak current density. パルスストリーマ放電発生時における、ピーク電界強度とピーク電流密度の経時変化を示すグラフである。It is a graph which shows a time-dependent change of the peak electric field strength and peak current density at the time of pulse streamer discharge generation. アーク放電発生時における、ピーク電界強度とピーク電流密度の経時変化を示すグラフである。It is a graph which shows a time-dependent change of the peak electric field strength and the peak current density at the time of arc discharge generation. パルス電源とプラグの電極対との第1の電気的な接続の形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the form of the 1st electrical connection with a pulse power supply and the electrode pair of a plug. パルス電源とプラグの電極対との第2の電気的な接続の形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the form of the 2nd electrical connection with a pulse power supply and the electrode pair of a plug. パルス電源とプラグの電極対との第2の電気的な接続の形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the form of the 2nd electrical connection with a pulse power supply and the electrode pair of a plug. 空燃比(A/F)に対してIMEP変動率(%)をプロットしたグラフである。It is the graph which plotted IMEP fluctuation rate (%) with respect to the air fuel ratio (A / F).

以下、本発明の実施の最良の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施の形態に対し適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。   BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The best mode for carrying out the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the following embodiment, and is based on the ordinary knowledge of those skilled in the art without departing from the gist of the present invention. It should be understood that modifications and improvements as appropriate to the following embodiments also fall within the scope of the present invention.

[1]内燃機関の点火方法:
[1−1]第一の点火方法:
図1は、本発明の第一の点火方法の一実施形態を模式的に示す概念図である。第一の点火方法においては、大気圧以上の正圧下(例えば1MPa以下)、可燃性物質と支燃性ガスを含む可燃性気体の存在下において、パルスストリーマ放電PSを100μs以下の間隔で複数回繰り返し引き起こしてバースト発生させ、内燃機関に点火する。なお、図1〜図5中、「T」は点火間隔(ms)を示す。例えば、内燃機関が回転数N(rpm)のエンジンである場合、点火間隔T=(1000/N)×2×60=120000/N(ms)と算出することができる。
[1] Ignition method for internal combustion engine:
[1-1] First ignition method:
FIG. 1 is a conceptual diagram schematically showing an embodiment of the first ignition method of the present invention. In the first ignition method, the pulse streamer discharge PS is performed a plurality of times at an interval of 100 μs or less in the presence of a combustible gas containing a combustible substance and a combustion-supporting gas under a positive pressure of atmospheric pressure or higher (for example, 1 MPa or less). A burst is generated by repeatedly causing the internal combustion engine to ignite. 1 to 5, “T” indicates an ignition interval (ms). For example, when the internal combustion engine is an engine having a rotation speed N (rpm), the ignition interval T = (1000 / N) × 2 × 60 = 120,000 / N (ms) can be calculated.

パルスストリーマ放電は、下記条件(1)を満たす非平衡放電である。内燃機関の燃焼室内において対向配置された電極間に電気パルス(パルス電圧)を印加してパルスストリーマ放電を所定の間隔で繰り返し引き起こすことにより、高エネルギー電子を効率的に発生させ、可燃性気体である混合気を励起させることができるとともに、活性種ラジカルの発生を促進させることができる。   The pulse streamer discharge is a non-equilibrium discharge that satisfies the following condition (1). By applying an electric pulse (pulse voltage) between electrodes arranged opposite to each other in a combustion chamber of an internal combustion engine to repeatedly cause pulse streamer discharge at a predetermined interval, high-energy electrons are efficiently generated, and a combustible gas is generated. A certain air-fuel mixture can be excited and the generation of active species radicals can be promoted.

[条件(1)]:パルス幅、温度、電圧、電流、及び気圧を一定とした状態で点火プラグの電極間にパルス電圧を印加し、横軸にピーク電界強度、及び縦軸にピーク電流密度をそれぞれプロットして得られるグラフにおいて、ピーク電界強度とピーク電流密度のいずれかが急激に変化する変曲点のうち、放電開始から数えて2番目の第2変曲点から3番目の第3変曲点までの間に発生するパルス放電。   [Condition (1)]: A pulse voltage is applied between the electrodes of the spark plug in a state where the pulse width, temperature, voltage, current, and atmospheric pressure are constant, the peak electric field strength is plotted on the horizontal axis, and the peak current density is plotted on the vertical axis. In the graph obtained by plotting each of the above, the third inflection point from the second second inflection point counted from the start of discharge among the inflection points at which either the peak electric field strength or the peak current density changes abruptly. Pulse discharge that occurs between the inflection points.

第一の点火方法における複数回のパルスストリーマ放電どうしの間隔は、100μs以下であり、好ましくは10〜90μs、更に好ましくは30〜50μsである。エネルギー注入が不足する、或いはパルスストリーマ放電どうしの間隔が10μs未満であると、ミスアーク電流通電時にパルス電源破壊が生ずる場合がある。   The interval between the plurality of pulse streamer discharges in the first ignition method is 100 μs or less, preferably 10 to 90 μs, more preferably 30 to 50 μs. If the energy injection is insufficient or the interval between pulse streamer discharges is less than 10 μs, the pulse power supply may be destroyed when the mis-arc current is energized.

図2は、本発明の第一の点火方法の他の実施形態を模式的に示す概念図である。図2に示すように、第一の点火方法においては、パルスストリーマ放電PSを引き起こす前に、下記条件(2)を満たすファインパルスストリーマ放電FPS、又はグロー放電を引き起こすことが好ましい。なお、ファインパルスストリーマ放電とグロー放電を適宜組み合わせて引き起こすことも好ましい。これにより、投入エネルギーの適正化と電極の長寿命化が可能となる。   FIG. 2 is a conceptual diagram schematically showing another embodiment of the first ignition method of the present invention. As shown in FIG. 2, in the first ignition method, it is preferable to cause fine pulse streamer discharge FPS or glow discharge that satisfies the following condition (2) before causing pulse streamer discharge PS. It is also preferable to cause a combination of fine pulse streamer discharge and glow discharge as appropriate. This makes it possible to optimize the input energy and extend the life of the electrode.

[条件(2)]:パルス幅、温度、電圧、電流、及び気圧を一定とした状態で点火プラグの電極間にパルス電圧を印加し、横軸にピーク電界強度、及び縦軸にピーク電流密度をそれぞれプロットして得られるグラフにおいて、ピーク電界強度とピーク電流密度のいずれかが急激に変化する変曲点のうち、放電開始から数えて1番目の第1変曲点から2番目の第2変曲点までの間に発生するパルス放電。   [Condition (2)]: A pulse voltage is applied between the electrodes of the spark plug in a state where the pulse width, temperature, voltage, current, and atmospheric pressure are constant, the peak electric field strength is plotted on the horizontal axis, and the peak current density is plotted on the vertical axis. In the graph obtained by plotting each of the above, inflection points where either the peak electric field strength or the peak current density changes rapidly, the second second from the first inflection point counting from the start of discharge. Pulse discharge that occurs between the inflection points.

[1−2]第二の点火方法:
図3は、本発明の第二の点火方法の一実施形態を模式的に示す概念図である。第二の点火方法においては、大気圧以上の正圧下(例えば、1MPa以下)、可燃性物質と支燃性ガスを含む可燃性気体の存在下において、前記条件(2)を満たす非平衡放電であるファインパルスストリーマ放電FPSを100μs以下の間隔で繰り返し引き起こしてバースト発生させ、内燃機関に点火する。
[1-2] Second ignition method:
FIG. 3 is a conceptual diagram schematically showing an embodiment of the second ignition method of the present invention. In the second ignition method, non-equilibrium discharge satisfying the above condition (2) is performed under a positive pressure of atmospheric pressure or higher (for example, 1 MPa or lower) and in the presence of a flammable gas including a flammable substance and a combustion-supporting gas. A certain fine pulse streamer discharge FPS is repeatedly generated at intervals of 100 μs or less to generate bursts, and the internal combustion engine is ignited.

内燃機関の燃焼室内において対向配置された電極間に電気パルス(パルス電圧)を印加してファインパルスストリーマ放電を所定の間隔で繰り返し引き起こすことにより、高エネルギー電子を効率的に発生させ、可燃性気体である混合気を励起させることができるとともに、活性種ラジカルの発生を促進させることができる。   By applying electrical pulses (pulse voltage) between electrodes facing each other in the combustion chamber of an internal combustion engine to repeatedly cause fine pulse streamer discharge at a predetermined interval, high energy electrons are efficiently generated, and a combustible gas is generated. It is possible to excite the gas mixture, and to promote the generation of active species radicals.

第二の点火方法における複数回のファインパルスストリーマ放電どうしの間隔は、100μs以下であり、好ましくは10〜90μs、更に好ましくは30〜50μsである。エネルギー注入が不足する、或いはファインパルスストリーマ放電どうしの間隔が10μs未満であると、ミスアーク電流通電時にパルス電源破壊が生ずる場合がある。   The interval between a plurality of fine pulse streamer discharges in the second ignition method is 100 μs or less, preferably 10 to 90 μs, more preferably 30 to 50 μs. If the energy injection is insufficient or the interval between fine pulse streamer discharges is less than 10 μs, the pulse power supply may be destroyed when the misarc current is applied.

[1−3]第三の点火方法:
図4は、本発明の第三の点火方法の一実施形態を模式的に示す概念図である。第三の点火方法においては、大気圧以上の正圧下(例えば1MPa以下)、可燃性物質と支燃性ガスを含む可燃性気体の存在下において、前記条件(2)を満たす非平衡放電であるファインパルスストリーマ放電FPSを100μs以下の間隔で繰り返し引き起こしておくと同時に、点火タイミングに合わせて前記条件(1)を満たす非平衡放電であるパルスストリーマ放電PSを引き起こしてバースト発生させ、内燃機関に点火する。即ち、第三の点火方法では、ファインパルスストリーマ放電FPSを所定の間隔で常時引き起こしておく。そして、任意のタイミングでパルスストリーマ放電PSを引き起こして点火する。
[1-3] Third ignition method:
FIG. 4 is a conceptual diagram schematically showing an embodiment of the third ignition method of the present invention. In the third ignition method, non-equilibrium discharge satisfying the above condition (2) in the presence of a combustible gas including a combustible substance and a combustion-supporting gas under a positive pressure of atmospheric pressure or higher (for example, 1 MPa or lower). The fine pulse streamer discharge FPS is repeatedly caused at intervals of 100 μs or less, and at the same time, the pulse streamer discharge PS, which is a non-equilibrium discharge that satisfies the above condition (1), is caused to occur in accordance with the ignition timing to generate a burst and ignite the internal combustion engine. To do. That is, in the third ignition method, the fine pulse streamer discharge FPS is always caused at a predetermined interval. Then, a pulse streamer discharge PS is caused at an arbitrary timing to ignite.

ファインパルスストリーマ放電を所定の間隔で常時引き起こしておくことで、高エネルギー電子を効率的に発生させ、可燃性気体である混合気を励起させることができるとともに、活性種ラジカルの発生を促進させることができる。また、このように常時ファインパルスストリーマ放電をバックグラウンドで立てた状態とすれば、アーク放電を引き起こすのに要する高電圧を印加せずに効率的にプラズマを発生させ、任意のタイミングで点火することができる。   By always causing fine pulse streamer discharge at a predetermined interval, high-energy electrons can be generated efficiently, and the mixture that is a flammable gas can be excited, and the generation of active species radicals can be promoted. Can do. In addition, if the fine pulse streamer discharge is always in the background as described above, plasma can be generated efficiently without applying the high voltage required to cause arc discharge, and can be ignited at an arbitrary timing. Can do.

第三の点火方法において繰り返し引き起こされるファインパルスストリーマ放電どうしの間隔は、100μs以下であり、好ましくは10〜90μs、更に好ましくは30〜50μsである。エネルギー注入が不足する、或いはファインパルスストリーマ放電どうしの間隔が10μs未満であると、ミスアーク電流通電時にパルス電源破壊が生ずる場合がある。   The interval between fine pulse streamer discharges repeatedly caused in the third ignition method is 100 μs or less, preferably 10 to 90 μs, more preferably 30 to 50 μs. If the energy injection is insufficient or the interval between fine pulse streamer discharges is less than 10 μs, the pulse power supply may be destroyed when the misarc current is applied.

[1−4]第四の点火方法:
図5は、本発明の第四の点火方法の一実施形態を模式的に示す概念図である。第四の点火方法においては、大気圧以上の正圧下(例えば、1MPa以下)、可燃性物質と支燃性ガスを含む可燃性気体の存在下において、前記条件(2)を満たす1回以上のファインパルスストリーマ放電FPSと、このファインパルスストリーマ放電FPSに続く、前記条件(1)を満たす1回以上のパルスストリーマ放電PSとの組み合わせを1組以上引き起こし、バースト発生させて内燃機関に点火する。
[1-4] Fourth ignition method:
FIG. 5 is a conceptual diagram schematically showing an embodiment of the fourth ignition method of the present invention. In the fourth ignition method, at least once satisfying the condition (2) in the presence of a combustible gas including a combustible substance and a combustible gas under a positive pressure of atmospheric pressure or higher (for example, 1 MPa or lower). One or more combinations of the fine pulse streamer discharge FPS and one or more pulse streamer discharges PS satisfying the condition (1) following the fine pulse streamer discharge FPS are caused to generate a burst and ignite the internal combustion engine.

ファインパルスストリーマ放電が複数回引き起こされる場合において、複数回のファインパルスストリーマ放電どうしの間隔は、100μs以下であることが好ましく、10〜90μsであることが更に好ましく、30〜50μsであることが特に好ましい。エネルギー注入が不足する、或いはファインパルスストリーマ放電どうしの間隔が10μs未満であると、ミスアーク電流通電時にパルス電源破壊が生ずる場合がある。   In the case where the fine pulse streamer discharge is caused a plurality of times, the interval between the plurality of fine pulse streamer discharges is preferably 100 μs or less, more preferably 10 to 90 μs, and particularly preferably 30 to 50 μs. preferable. If the energy injection is insufficient or the interval between fine pulse streamer discharges is less than 10 μs, the pulse power supply may be destroyed when the misarc current is applied.

また、パルスストリーマ放電が複数回引き起こされる場合において、複数回のパルスストリーマ放電どうしの間隔は、100μs以下であることが好ましく、10〜90μsであることが更に好ましく、30〜50μsであることが特に好ましい。エネルギー注入が不足する、或いはパルスストリーマ放電どうしの間隔が10μs未満であると、ミスアーク電流通電時にパルス電源破壊が生ずる場合がある。   In the case where the pulse streamer discharge is caused a plurality of times, the interval between the plurality of pulse streamer discharges is preferably 100 μs or less, more preferably 10 to 90 μs, and particularly preferably 30 to 50 μs. preferable. If the energy injection is insufficient or the interval between pulse streamer discharges is less than 10 μs, the pulse power supply may be destroyed when the mis-arc current is energized.

[2]パルス電源:
本発明の内燃機関の点火方法においては、所定のパルス幅を有するパルス電圧波形を示す電気パルスを電極間に印加して特定種類の放電を発生させる。所定のパルス幅を有するパルス電圧波形を示す電気パルスを発生させて電極間に印加するには、静電誘導型サイリスタ(以下、「SIThy」ともいう)をスイッチングデバイスとする誘導エネルギー蓄積型電源回路(以下、「IES回路」ともいう)のパルス電源を採用することが好ましい。IES回路は、SIThyのクロージングスイッチ機能の他、オープニングスイッチング機能を用いてターンオフを行い、このターンオフによりSIThyのゲート・アノード間に高圧を発生させている。なお、IES回路の詳細は、飯田克二、佐久間健:「誘導エネルギー蓄積型パルス電源」,第15回SIデバイスシンポジウム(2002)に記載されている。
[2] Pulse power supply:
In the ignition method for an internal combustion engine of the present invention, an electric pulse indicating a pulse voltage waveform having a predetermined pulse width is applied between electrodes to generate a specific type of discharge. An inductive energy storage type power supply circuit using an electrostatic induction thyristor (hereinafter also referred to as “SIThy”) as a switching device to generate an electric pulse having a pulse voltage waveform having a predetermined pulse width and apply it between electrodes. It is preferable to employ a pulse power source (hereinafter also referred to as “IES circuit”). The IES circuit turns off using an opening switching function in addition to the closing switch function of SIThy, and this turn-off generates a high voltage between the gate and the anode of SIThy. Details of the IES circuit are described in Katsuji Iida, Ken Sakuma: “Inductive energy storage type pulse power supply”, 15th SI Device Symposium (2002).

図6を参照して、IES回路(パルス電源)の構成について説明する。IES回路13は、低電圧直流電源131を備えている。低電圧直流電源131の電圧Eは、IES回路13が発生させる電気パルスの電圧のピーク値より著しく低いことが許容される。例えば、後述するインダクタ133の両端に発生させる電圧VLのピーク値VLPが数kVに達しても、低電圧直流電源131の電圧Eは数10Vであることが許容される。電圧Eの下限は後述するSIThy134のラッチング電圧以上で決定される。IES回路13は、低電圧直流電源131を電気エネルギー源として利用可能であるので、小型・低コストに構築可能である。 The configuration of the IES circuit (pulse power supply) will be described with reference to FIG. The IES circuit 13 includes a low voltage DC power supply 131. The voltage E of the low-voltage DC power supply 131 is allowed to be significantly lower than the peak value of the electric pulse voltage generated by the IES circuit 13. For example, even if the peak value V LP of the voltage VL generated at both ends of the inductor 133 described later reaches several kV, the voltage E of the low voltage DC power supply 131 is allowed to be several tens of volts. The lower limit of the voltage E is determined by a latching voltage equal to or higher than the SIThy 134 latching voltage described later. Since the IES circuit 13 can use the low voltage DC power supply 131 as an electrical energy source, it can be constructed in a small size and at a low cost.

IES回路13は、低電圧直流電源131に並列接続されるコンデンサ132を備えている。コンデンサ132は、低電圧直流電源131のインピーダンスを見かけ上低下させることにより低電圧直流電源131の放電能力を強化する。   The IES circuit 13 includes a capacitor 132 connected in parallel to the low voltage DC power supply 131. The capacitor 132 enhances the discharge capability of the low voltage DC power supply 131 by apparently reducing the impedance of the low voltage DC power supply 131.

更に、IES回路13は、インダクタ133、SIThy134、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)(以下、「FET」ともいう)135、ゲート駆動回路136、及びダイオード137を備えている。IES回路13では、低電圧直流電源131の正極とインダクタ133の一端とが接続され、インダクタ133の他端とSIThy134のアノードとが接続され、SIThy134のカソードとFET135のドレインとが接続され、FET135のソースと低電圧直流電源131の負極とが接続されている。また、IES回路13では、SIThy134のゲートとダイオード137のアノードとが接続され、ダイオード137のカソードとインダクタ133の一端(低電圧直流電源131の正極)とが接続される。FET135のゲート及びソースには、ゲート駆動回路136が接続される。   Further, the IES circuit 13 includes an inductor 133, a SITy 134, a MOSFET (Metal Oxide Field Effect Transistor) (hereinafter also referred to as “FET”) 135, a gate drive circuit 136, and a diode 137. In the IES circuit 13, the positive electrode of the low-voltage DC power supply 131 and one end of the inductor 133 are connected, the other end of the inductor 133 and the anode of the SIThy 134 are connected, the cathode of the SIThy 134 and the drain of the FET 135 are connected, The source and the negative electrode of the low voltage DC power supply 131 are connected. In the IES circuit 13, the gate of the SIThy 134 and the anode of the diode 137 are connected, and the cathode of the diode 137 and one end of the inductor 133 (the positive electrode of the low-voltage DC power supply 131) are connected. A gate drive circuit 136 is connected to the gate and source of the FET 135.

SIThy134は、ゲート信号に応答して、ターンオン及びターンオフが可能である。   The SIThy 134 can be turned on and off in response to a gate signal.

FET135は、ゲート駆動回路136から与えられるゲート信号Vcに応答してドレイン・ソース間の導通状態が変化するスイッチング素子である。FET135のオン電圧又はオン抵抗は低いことが望ましい。また、FET135の耐圧は低電圧直流電源131の電圧Eより高いことを要する。 The FET 135 is a switching element in which the conduction state between the drain and the source changes in response to the gate signal V c supplied from the gate drive circuit 136. It is desirable that the on-voltage or on-resistance of the FET 135 is low. Further, the withstand voltage of the FET 135 needs to be higher than the voltage E of the low voltage DC power supply 131.

ダイオード137は、SIThy134のゲートに正バイアスを与えた場合に流れる電流を阻止するため、即ち、SIThy134のゲートに正バイアスを与えた場合にSIThy134が電流駆動とならないようにするために設けられる。   The diode 137 is provided in order to prevent a current flowing when a positive bias is applied to the gate of the SIThy 134, that is, to prevent the SIThy 134 from being driven by current when a positive bias is applied to the gate of the SIThy 134.

インダクタ133は、自己インダクタンスを有する誘導性素子として機能しており、その両端には、負荷139(ここでは、電極対)が並列接続される。なお、昇圧トランスの1次側をインダクタ133として用いて、昇圧トランスの2次側の両端に負荷139を接続すれば、電圧のピーク値がより高い電気パルスを得ることができる。   The inductor 133 functions as an inductive element having self-inductance, and a load 139 (here, an electrode pair) is connected in parallel to both ends thereof. If the load 139 is connected to both ends of the secondary side of the step-up transformer using the primary side of the step-up transformer as the inductor 133, an electric pulse having a higher voltage peak value can be obtained.

続いて、図7を参照して、IES回路の動作について説明する。図7においては、上から順に、FETに与えられるゲート信号Vc、SIThyの導通状態、インダクタに流れる電流IL、インダクタの両端に発生する電圧VL、SIThyのアノード・ゲート間の電圧VAG(縦軸)の時間(横軸)に対する変化が示されている。 Next, the operation of the IES circuit will be described with reference to FIG. In FIG. 7, in order from the top, the gate signal V c applied to the FET, the conduction state of SIThy, the current I L flowing through the inductor, the voltage V L generated at both ends of the inductor, and the voltage V AG between the anode and the gate of SIThy The change of (vertical axis) with respect to time (horizontal axis) is shown.

まず、時刻t0にゲート信号VcがOFFからONに切り替わると、FET135のドレイン・ソース間は導通状態となる。これにより、SIThy134のゲートがカソードに対して正バイアスされるので、SIThy134のアノード・カソード間は導通状態となり(図中の「A−K導通」)、電流ILが増加し始める。 First, when the gate signal V c is switched from OFF to ON at time t 0 , the drain and source of the FET 135 become conductive. Thus, the gate of the SIThy134 is positively biased relative to the cathode, the anode-cathode of SIThy134 becomes conductive ( "A-K-conducting" in the figure), the current I L begins to increase.

電流ILがピーク値ILPに達するあたりの時刻t1にゲート信号VcがONからOFFに切り替わると、FET135のドレイン・ソース間が非導通状態となり、SIThy134のアノード・ゲート間が導通状態となる(図中の「A−G導通」)。これにより、時刻t2から時刻t3にかけて、SIThy134における空乏層の拡大に同期して(図中の「空乏層拡大」)、電流ILが減少するとともに、電圧VL及び電圧VAGが急激に上昇する。 When current I L time t 1 to the gate signal V c per peaking value I LP is switched to OFF from ON, the drain-source of the FET135 is rendered non-conductive, and conductive state between the anode and gate of SIThy134 ("AG conduction" in the figure). As a result, from time t 2 to time t 3 , in synchronization with the expansion of the depletion layer in SIThy 134 (“depletion layer expansion” in the figure), the current I L decreases and the voltage V L and the voltage V AG suddenly increase. To rise.

そして、時刻t3において電圧VL及び電圧VAGが、それぞれピーク値VLp及びピーク値VAGpに達して電流ILの向きが反転した後は、時刻t3から時刻t4にかけて、SIThy134における空乏層の縮小に同期して(図中の「空乏層縮小」)、電流ILが増加するとともに、電圧VL及び電圧VAGが急激に低下する。 Then, the voltage V L and the voltage V AG at time t 3 is, after the inverted direction of the current I L respectively reached the peak value V Lp and the peak value V AGP, and from time t 3 to time t 4, in SIThy134 In synchronization with the reduction of the depletion layer (“depletion layer reduction” in the figure), the current I L increases and the voltage V L and the voltage V AG rapidly decrease.

そして、時刻t4においてSIThy134が非導通状態となると(図中の「非導通」)、時刻t5に向かって電流ILが減少するとともに、電圧VL及び電圧VAGは0になる。 When SIThy134 is turned off at time t 4 ( "non-conducting" in the figure), the current I L decreases towards the time t 5, the voltage V L and the voltage V AG becomes zero.

IES回路により電気パルスを発生させて放電させる構成とすることにより、印加する電気パルスのパルス波形、パルス頻度を適宜変更することかできる。このため、可燃性気体の圧力変化、温度変化、又は組成変化等に応じて放電条件を最適化することができる。従って、内燃機関の燃焼室内部における、有限な寿命を有する活性種ラジカルの濃度を可能な限り高めた状態で点火することができる。なお、IES回路は、極めて小型に構成することが可能な回路である。具体的には、IES回路の体積は100〜1000ml程度と極めて小型であることから、車載用のパルス電源としても好適である。   By adopting a configuration in which an electrical pulse is generated and discharged by the IES circuit, the pulse waveform and pulse frequency of the applied electrical pulse can be appropriately changed. For this reason, discharge conditions can be optimized according to the pressure change of a combustible gas, a temperature change, or a composition change. Therefore, ignition can be performed in a state in which the concentration of the active species radical having a finite lifetime in the combustion chamber of the internal combustion engine is increased as much as possible. Note that the IES circuit is a circuit that can be configured extremely small. Specifically, since the volume of the IES circuit is as small as about 100 to 1000 ml, it is also suitable as an in-vehicle pulse power source.

また、IES回路のパルス電源は、放電に必要なエネルギーを蓄電するのに必要な時間は短く、概ね10μs以下である。即ち、従来の回路に比して、単位時間当たりの放電回数を多くすることが可能であるため、最適なタイミングで点火することができ、点火の確実性を向上させることが可能である。IES回路が発生する電気パルスの電圧は、誘導性素子であるインダクタ133への誘導エネルギー蓄積時間、すなわち、FET135のオン時間で制御される。   Further, the pulse power supply of the IES circuit has a short time required to store energy necessary for discharging, and is approximately 10 μs or less. In other words, since the number of discharges per unit time can be increased as compared with the conventional circuit, ignition can be performed at an optimal timing, and the certainty of ignition can be improved. The voltage of the electric pulse generated by the IES circuit is controlled by the induction energy storage time in the inductor 133 which is an inductive element, that is, the on time of the FET 135.

なお、パルス電源を用いて発生させる電気パルスの電圧、間隔、回数、及びこれらの組み合わせは、放電条件に応じて任意に変更することができる。即ち、予めプログラミングされたアルゴリズムに従って、内燃機関の運転条件に応じてエンジン制御ユニット(ECU)からの信号により、最適な波形のパルス電圧列を印加することが可能である。   Note that the voltage, interval, number, and combination of electric pulses generated using the pulse power source can be arbitrarily changed according to the discharge conditions. That is, it is possible to apply a pulse voltage train having an optimum waveform according to a signal from an engine control unit (ECU) in accordance with an operation condition of the internal combustion engine according to a preprogrammed algorithm.

[3]放電の種類:
パルスストリーマ放電、及びファインパルスストリーマ放電は、いずれも放電の均一性に優れた非平衡放電である。このため、これらの放電の繰り返し数等を制御すれば、可燃性気体(混合気)の温度を従来の点火方法における点火温度まで上昇させることなく、活性種ラジカルを多量に含有する非熱平衡プラズマを、アーク放電を引き起こすのに要する高電圧を印加せずに効率的に発生させることができる。なお、電極の具体例としては、一般的な点火プラグを構成する電極である中心電極、及び外側(接地)電極等を挙げることができる。
[3] Discharge type:
Both pulse streamer discharge and fine pulse streamer discharge are non-equilibrium discharges with excellent discharge uniformity. For this reason, if the number of repetitions of these discharges is controlled, non-thermal equilibrium plasma containing a large amount of active species radicals can be produced without increasing the temperature of the combustible gas (air mixture) to the ignition temperature in the conventional ignition method. It can be efficiently generated without applying a high voltage required to cause arc discharge. Specific examples of the electrode include a center electrode that is an electrode constituting a general spark plug, an outer (ground) electrode, and the like.

本発明の内燃機関の点火方法を採用すれば、空燃比(A/F)を大きく設定した混合気に点火した場合であっても、安定した状態でリーン燃焼させることができる。従って、本発明の内燃機関の点火方法は、リーンバーンエンジン等の内燃機関の点火方法として好適であり、燃費の向上、及び排出される二酸化炭素(CO2)量の低減にも寄与するものである。 If the ignition method for an internal combustion engine according to the present invention is employed, lean combustion can be performed in a stable state even when an air-fuel mixture with a large air-fuel ratio (A / F) is ignited. Therefore, the ignition method for an internal combustion engine of the present invention is suitable as an ignition method for an internal combustion engine such as a lean burn engine, and contributes to an improvement in fuel consumption and a reduction in the amount of carbon dioxide (CO 2 ) emitted. is there.

図8は、電極対への電気パルスの印加によって引き起こされる放電の状態を示す模式図である。   FIG. 8 is a schematic diagram showing a state of discharge caused by application of an electric pulse to the electrode pair.

図8に示すように、電気パルスのパルス幅が所定の値に達すると、正イオンが陰極82に衝突する際に放出された2次電子によって新たな正イオンを発生させるグロー放電が引き起こされる。   As shown in FIG. 8, when the pulse width of the electric pulse reaches a predetermined value, a glow discharge is generated in which new positive ions are generated by secondary electrons emitted when the positive ions collide with the cathode 82.

一方、電気パルスの立ち上がり時の電圧Vの上昇率(電圧上昇率(dV/dt))が概ね30〜500kV/μsである場合、陽極81から陰極82へ向かうストリーマ83の成長が始まる。そして、ストリーマ83の成長は、陽極81と陰極82との間に短いストリーマ83が散点する初期段階で終了する。一方、パルス幅が更に広くなると、ストリーマ83が本格的に成長し、陽極81と陰極82との間に枝分かれした長いストリーマ83が存在する状態となる。本発明の内燃機関の点火方法では、ストリーマ83の成長が進んで陽極81と陰極82とが導通してしまわないように、ストリーマ83の成長の初期段階で放電を停止する。   On the other hand, when the rate of increase of the voltage V (voltage increase rate (dV / dt)) at the rise of the electric pulse is approximately 30 to 500 kV / μs, the growth of the streamer 83 from the anode 81 to the cathode 82 starts. The growth of the streamer 83 ends at the initial stage where the short streamer 83 is scattered between the anode 81 and the cathode 82. On the other hand, when the pulse width is further increased, the streamer 83 grows in earnest, and a long streamer 83 branched between the anode 81 and the cathode 82 exists. In the internal combustion engine ignition method of the present invention, the discharge is stopped at the initial stage of the streamer 83 growth so that the streamer 83 does not grow and the anode 81 and the cathode 82 do not conduct.

なお、パルス幅が更に拡大すると、局部的な電流集中がおき、最終的にアーク放電が引き起こされる。   If the pulse width is further expanded, local current concentration occurs, and finally arc discharge is caused.

上述の説明で、電圧上昇率(dV/dt)の範囲について「概ね」としているのは、これらは、陽極81と陰極82の間隔、陽極81及び陰極82の構造等の点火プラグの具体的構成に依存して変化するためである。従って、ファインパルスストリーマ放電となっているか否かは、立ち上がり時の電圧上昇率(dV/dt)だけでなく、実際の放電を観察して判断すべきである。   In the above description, the range of the voltage increase rate (dV / dt) is “substantially” because these are specific configurations of the spark plug such as the distance between the anode 81 and the cathode 82 and the structure of the anode 81 and the cathode 82. It is because it changes depending on. Therefore, whether or not the fine pulse streamer discharge is performed should be determined by observing not only the rate of voltage increase (dV / dt) at the time of rising but also the actual discharge.

図9は、ピーク電界強度とピーク電流密度の関係を示すグラフである。放電状態は、通常、パルス幅の長短、温度の高低、電圧の高低、電流の高低、及び気圧の高低の影響を受けて変化する。なお、図9に示すグラフは、金属電極放電ギャップ:1.5mm、プラグ陽極面積:φ2mm、プラグ陰極面積:2×3mm、圧力:10気圧、温度:60℃の条件下で放電を行って作成したものである。図9に示すように、電極間に電圧を印加していくと、あるピーク電界強度からグロー放電による電流が徐々に流れ始める。更に電圧を高めると、ピーク電流密度が急激に上昇する変曲点(第1変曲点)を経てファインパルスストリーマ放電に移行して、ピーク電流密度の上昇率が大きくなる。更に電圧を高めると、ピーク電界強度が徐々に減少し始める変曲点(第2変曲点)を経てパルスストリーマ放電に移行して、ピーク電流密度は増大する。更に電圧を高めると、ピーク電界強度はほとんど変化せずにピーク電流密度のみが高くなる変曲点(第3変曲点)を経てアーク放電に移行することとなる。   FIG. 9 is a graph showing the relationship between peak electric field strength and peak current density. The discharge state usually changes under the influence of the length of the pulse width, the temperature level, the voltage level, the current level, and the atmospheric pressure level. The graph shown in FIG. 9 is created by performing discharge under the conditions of metal electrode discharge gap: 1.5 mm, plug anode area: φ2 mm, plug cathode area: 2 × 3 mm, pressure: 10 atm, temperature: 60 ° C. It is a thing. As shown in FIG. 9, when a voltage is applied between the electrodes, a current due to glow discharge gradually starts to flow from a certain peak electric field intensity. When the voltage is further increased, the peak current density is increased to a fine pulse streamer discharge through an inflection point (first inflection point) at which the peak current density rapidly rises, and the increase rate of the peak current density is increased. When the voltage is further increased, the peak electric current density increases through the inflection point (second inflection point) at which the peak electric field intensity begins to gradually decrease, and then shifts to pulse streamer discharge. When the voltage is further increased, the peak electric field intensity hardly changes, and the arc current is shifted to an arc discharge through an inflection point (third inflection point) in which only the peak current density is increased.

本明細書においては、放電開始から第1変曲点までの間に発生する放電を「グロー放電」、第1変曲点から第2変曲点までの間に発生する放電を「ファインパルスストリーマ放電」、第2変曲点から第3変曲点までの間に発生する放電を「パルスストリーマ放電」、第3変曲点以降に発生する放電を「アーク放電」という。   In this specification, the discharge generated between the start of discharge and the first inflection point is referred to as “glow discharge”, and the discharge generated between the first inflection point and the second inflection point is referred to as “fine pulse streamer”. Discharge ", discharge generated between the second inflection point and the third inflection point is referred to as" pulse streamer discharge ", and discharge generated after the third inflection point is referred to as" arc discharge ".

図10は、パルスストリーマ放電発生時における、ピーク電界強度とピーク電流密度の経時変化を示すグラフである。また、図11は、アーク放電発生時における、ピーク電界強度とピーク電流密度の経時変化を示すグラフである。図10及び図11に示すように、いずれの放電発生時においても、ピーク電界強度の上昇に伴ってピーク電圧密度も上昇する。但し、ピーク電圧密度の最大値は、アーク放電の場合は数〜10A/cm2にも達するのに対し、パルスストリーマ放電の場合は0.数〜数A/cm2程度である。また、いずれの放電発生時においても、ピーク電界強度の下降に伴ってピーク電圧密度も下降する。しかしながら、アーク放電の場合はピーク電界強度の消失以降も引き続きピーク電流密度が観測されるのに対し、パルスストリーマ放電の場合はピーク電界強度が消失する前にピーク電流密度は観測されなくなる(消失する)。ピーク電流密度の半値幅を比較してみると、アーク放電の場合は数μs〜数msにもなるのに対し、パルスストリーマ放電の場合は200ns以下と極めて短い。 FIG. 10 is a graph showing temporal changes in peak electric field strength and peak current density when a pulse streamer discharge is generated. Further, FIG. 11 is a graph showing temporal changes in peak electric field strength and peak current density when arc discharge occurs. As shown in FIGS. 10 and 11, at any discharge occurrence, the peak voltage density increases as the peak electric field strength increases. However, the maximum value of the peak voltage density reaches several 10 A / cm 2 in the case of arc discharge, but is 0. 0 in the case of pulse streamer discharge. It is about several to several A / cm 2 . Also, at any discharge occurrence, the peak voltage density decreases as the peak electric field strength decreases. However, in the case of arc discharge, the peak current density continues to be observed after the disappearance of the peak electric field strength, whereas in the case of pulse streamer discharge, the peak current density is not observed (disappears) before the peak electric field strength disappears. ). Comparing the full width at half maximum of the peak current density, the arc discharge is several μs to several ms, whereas the pulse streamer discharge is as short as 200 ns or less.

本発明の内燃機関の点火方法においては、ピーク電流密度の半減値(消失裾引き)が、アーク放電に比して極端に短いパルスストリーマ放電、或いはファインパルスストリーマ放電を利用し、混合気の温度を従来の点火方法における点火温度まで上昇させることなく、活性種ラジカルを多量に含有する非熱平衡プラズマを、アーク放電を引き起こすのに要する高電圧を印加せずに効率的に発生させている。   In the ignition method for an internal combustion engine of the present invention, the pulse current stream discharge or the fine pulse streamer discharge in which the half value (disappearance tailing) of the peak current density is extremely shorter than the arc discharge is used, and the temperature of the air-fuel mixture is increased. Is not generated up to the ignition temperature in the conventional ignition method, and non-thermal equilibrium plasma containing a large amount of active species radicals is efficiently generated without applying a high voltage required to cause arc discharge.

パルスストリーマ放電を引き起こす電気パルスの電界強度は、3〜15kV/mmであることが好ましく、5〜10kV/mmであることが更に好ましく、7〜10kV/mmであることが更に好ましい。電気パルスの電界強度を上記範囲内とすることで、高効率なラジカル発生を実現することができる。   The electric field intensity of the electric pulse causing the pulse streamer discharge is preferably 3 to 15 kV / mm, more preferably 5 to 10 kV / mm, and further preferably 7 to 10 kV / mm. By setting the electric field intensity of the electric pulse within the above range, highly efficient radical generation can be realized.

また、パルスストリーマ放電の立ち上がり時における電圧上昇率(dV/dt)は、50kV/μs以上であることが好ましく、100〜500kV/μsであることが更に好ましく、200〜300kV/μsであることが特に好ましい。電圧上昇率(dV/dt)を上記範囲内とすることで、高効率なラジカル発生を実現することができる。   Further, the voltage increase rate (dV / dt) at the time of rising of the pulse streamer discharge is preferably 50 kV / μs or more, more preferably 100 to 500 kV / μs, and more preferably 200 to 300 kV / μs. Particularly preferred. By setting the voltage increase rate (dV / dt) within the above range, highly efficient radical generation can be realized.

なお、ファインパルスストリーマ放電を引き起こす電気パルスの電界強度は、5〜13kV/mmであることが好ましく、7〜13kV/mmであることが更に好ましく、7〜11kV/mmであることが特に好ましい。電気パルスの電界強度を上記範囲内とすることで、高効率なラジカル発生を実現することができる。   The electric field intensity of the electric pulse that causes fine pulse streamer discharge is preferably 5 to 13 kV / mm, more preferably 7 to 13 kV / mm, and particularly preferably 7 to 11 kV / mm. By setting the electric field intensity of the electric pulse within the above range, highly efficient radical generation can be realized.

[4]可燃性物質:
内燃機関で燃焼させる可燃性気体(混合気)には、可燃性物質と支燃性ガスが含有される。可燃性物質としては、一般的な内燃機関において燃焼させる従来公知のものを採用することができる。可燃性物質の具体例としては、メタン、プロパン、ガソリン、軽油、植物由来燃料、水素、及び合成化学燃料からなる群より選択される少なくとも一種を挙げることができる。
[4] Flammable substances:
The combustible gas (air mixture) burned by the internal combustion engine contains a combustible substance and a combustion-supporting gas. As the combustible substance, a conventionally known substance that is combusted in a general internal combustion engine can be adopted. Specific examples of the combustible substance include at least one selected from the group consisting of methane, propane, gasoline, light oil, plant-derived fuel, hydrogen, and synthetic chemical fuel.

[5]支燃性ガス:
可燃性気体(混合気)に含有される支燃性ガスとしては、一般的な内燃機関において燃焼させる可燃性気体に含有されることのある、従来公知のものを採用することができる。支燃性ガスの具体例としては、空気、酸素、及びこれらの混合ガスを挙げることができる。
[5] Combustion gas:
As the combustion-supporting gas contained in the combustible gas (air mixture), a conventionally known gas that may be contained in the combustible gas burned in a general internal combustion engine can be employed. Specific examples of the combustion-supporting gas include air, oxygen, and a mixed gas thereof.

[6]希釈ガス:
可燃性気体(混合気)には、可燃性物質及び支燃性ガス以外の成分として、希釈ガスを含有させてもよい。希釈ガスとしては、一般的な内燃機関において燃焼させる可燃性気体に含有されることのある、従来公知のものを採用することができる。希釈ガスの具体例としては、窒素、二酸化炭素、及び燃焼排ガスからなる群より選択される少なくとも一種を挙げることができる。なお、本発明の内燃機関の点火方法においては、燃焼排ガスを循環させる(排ガス循環(EGR))させることにより、窒素や二酸化炭素のリッチな不活性な希釈ガスを混合気に含有させた場合であっても安定した点火状態とすることができるといった利点がある。
[6] Dilution gas:
The combustible gas (air mixture) may contain a diluent gas as a component other than the combustible substance and the combustion-supporting gas. As the dilution gas, a conventionally known gas that may be contained in a combustible gas burned in a general internal combustion engine can be employed. Specific examples of the dilution gas include at least one selected from the group consisting of nitrogen, carbon dioxide, and combustion exhaust gas. In the ignition method for an internal combustion engine according to the present invention, when the exhaust gas is circulated (exhaust gas circulation (EGR)), an inert dilution gas rich in nitrogen or carbon dioxide is contained in the air-fuel mixture. Even if it exists, there exists an advantage that it can be set as the stable ignition state.

[7]パルス電源と点火プラグの電極対との電気的な接続:
図12、図13及び図14は、パルス電源と点火プラグの電極対との電気的な接続の形態を示す模式図である。
[7] Electrical connection between pulse power source and spark plug electrode pair:
FIGS. 12, 13 and 14 are schematic views showing a form of electrical connection between the pulse power source and the electrode pair of the spark plug.

図12に示す第1の電気的な接続の形態においては、パルス電源1000と点火プラグ1006の電極対1012とが直接的に接続される。例えば、パルス電源1000の正出力端1002が点火プラグ1006の陽極1008に接続され、パルス電源1000の負出力端1004が点火プラグ1006の陰極1010に接続される。パルス電源1000の負出力端1005及び点火プラグ1006の陰極1010が接地されていてもよい。   In the first form of electrical connection shown in FIG. 12, pulse power supply 1000 and electrode pair 1012 of spark plug 1006 are directly connected. For example, the positive output end 1002 of the pulse power source 1000 is connected to the anode 1008 of the spark plug 1006, and the negative output end 1004 of the pulse power source 1000 is connected to the cathode 1010 of the spark plug 1006. The negative output terminal 1005 of the pulse power supply 1000 and the cathode 1010 of the spark plug 1006 may be grounded.

しかし、図12に示す第1の電気的な接続の形態は、図11に示すアーク放電を発生させやすい。そこで、図11に示すアーク放電を抑制し図10に示すパルスストリーマ放電を専ら発生させるために、望ましくは、図13に示す第2の電気的な接続の形態又は図14に示す第3の電気的な接続の形態が採用される。   However, the first electrical connection configuration shown in FIG. 12 is liable to generate arc discharge shown in FIG. Therefore, in order to suppress the arc discharge shown in FIG. 11 and exclusively generate the pulse streamer discharge shown in FIG. 10, it is desirable that the second electrical connection configuration shown in FIG. 13 or the third electrical connection shown in FIG. A typical connection form is adopted.

図13に示す第2の電気的な接続の形態及び図14に示す第3の電気的な接続の形態においては、パルス電源1100,1200と点火プラグ1106,1206の電極対1112,1212とが抵抗を介して接続される。例えば、パルス電源1100,1200の正出力端1102,1202が抵抗1114,1214を介して点火プラグ1106,1206の陽極1108,1208に接続され、パルス電源1100,1200の負出力端1104,1204が点火プラグ1106,1206の陰極1110,1210に接続される。パルス電源1100,1200の負出力端1104,1204及び点火プラグ1106,1206の陰極1110,1210が接地されていてもよい。   In the second electrical connection mode shown in FIG. 13 and the third electrical connection mode shown in FIG. 14, the pulse power sources 1100 and 1200 and the electrode pairs 1112 and 1212 of the spark plugs 1106 and 1206 are in resistance. Connected through. For example, the positive output terminals 1102 and 1202 of the pulse power supplies 1100 and 1200 are connected to the anodes 1108 and 1208 of the spark plugs 1106 and 1206 via resistors 1114 and 1214, and the negative output terminals 1104 and 1204 of the pulse power supplies 1100 and 1200 are ignited. Connected to the cathodes 1110 and 1210 of the plugs 1106 and 1206. The negative output terminals 1104 and 1204 of the pulse power supplies 1100 and 1200 and the cathodes 1110 and 1210 of the spark plugs 1106 and 1206 may be grounded.

抵抗1114,1214は、図13に示すように、パルス電源1100と点火プラグ1106とを接続する接続ケーブルに内蔵されていてもよいし、図14に示すように、点火プラグ1206に内蔵されていてもよい。   The resistors 1114 and 1214 may be built in a connection cable that connects the pulse power source 1100 and the spark plug 1106 as shown in FIG. 13, or are built in the spark plug 1206 as shown in FIG. Also good.

「抵抗」は、レジスタンス成分を含んでいればよく、リアクタンス成分を含まない純抵抗である必要はない。当該レジスタンス成分の抵抗値は、500〜2000オームであることが望ましく、1000オーム程度であることがさらに望ましい。抵抗値がこの範囲を下回ると、アーク放電を抑制する効果が得られにくくなり、抵抗値がこの範囲を上回ると、損失が大きくなりすぎるからである。   The “resistance” only needs to include a resistance component, and need not be a pure resistance that does not include a reactance component. The resistance value of the resistance component is preferably 500 to 2000 ohms, and more preferably about 1000 ohms. This is because if the resistance value falls below this range, it becomes difficult to obtain an effect of suppressing arc discharge, and if the resistance value exceeds this range, the loss becomes too large.

「点火プラグ」は、少なくとも陽極及び陰極を備え、望ましくは陽極及び陰極を固定する基体等も備える電極構造体である。本発明の内燃機関の点火方法には、公知の点火プラグを採用しうるが、公知の点火プラグとは構造が異なる点火プラグも採用しうる。   The “ignition plug” is an electrode structure that includes at least an anode and a cathode, and preferably includes a base that fixes the anode and the cathode. In the ignition method for an internal combustion engine of the present invention, a known spark plug can be adopted, but a spark plug having a structure different from that of the known spark plug can also be employed.

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, this invention is not limited to these Examples.

(実施例1)
点火プラグを備えたスパーク点火(SI)エンジンを使用し、以下に示す点火条件(1)(PRD)に従い、回転数を1000rpmに固定するとともに、空燃比(空気/燃料質量比、A/F)を理論空燃質量比(A/F=14.7〜26.7)の範囲内で可変とし、かつ、点火タイミングをMinimum Advance for Best Torque(MBT)として点火を行った。なお、以下に示す運転モード(1)と運転モード(2)の両方を行った。
Example 1
Using a spark ignition (SI) engine equipped with a spark plug, the rotation speed is fixed at 1000 rpm and the air-fuel ratio (air / fuel mass ratio, A / F) according to the following ignition condition (1) (PRD) Was made variable within the range of the theoretical air-fuel mass ratio (A / F = 14.7 to 26.7), and the ignition timing was set to Minimum Advance for Best Torque (MBT). In addition, both the operation mode (1) and the operation mode (2) shown below were performed.

<点火条件(1)(PRD)>
・全入力エネルギー:可変
・電気パルスの入力エネルギー制御法:ゲート時間幅による蓄積エネルギー制御
・電気パルスの入力パターン:ゲートパルス幅が3μs(半値幅=200ns)の電圧パルスを8回電極間に印加してパルスストリーマ放電を引き起こした。次いで、ゲートパルス幅が5.5μs(半値幅=200ns)の電圧パルスを2回電極間に印加してパルスストリーマ放電を引き起こした。なお、パルスストリーマ放電どうしの間隔は40μsとした。
・電源の一次側入力電圧:150V
・スパークギャップ(中心電極−外側(接地)電極間の距離):1.5mm
<Ignition condition (1) (PRD)>
-Total input energy: Variable-Electric pulse input energy control method: Accumulated energy control by gate time width-Electric pulse input pattern: Voltage pulse with gate pulse width of 3 μs (half width = 200 ns) is applied between electrodes 8 times This caused a pulse streamer discharge. Next, a voltage pulse having a gate pulse width of 5.5 μs (half width = 200 ns) was applied between the electrodes twice to cause a pulse streamer discharge. The interval between the pulse streamer discharges was 40 μs.
・ Primary input voltage of power supply: 150V
・ Spark gap (distance between the center electrode and the outer (ground) electrode): 1.5 mm

<運転モード(1)>
吸引圧力を70kPaに維持して運転する運転モードであり、吸引空気総量を制御しつつ運転するモードである。
<Operation mode (1)>
In this operation mode, the operation is performed while maintaining the suction pressure at 70 kPa, and the operation is performed while controlling the total amount of suction air.

<運転モード(2)>
平均有効圧(IMEP)を440kPaに維持して運転する運転モードであり、エンジン負荷を制御しつつ運転するモードである。
<Operation mode (2)>
This is an operation mode in which the average effective pressure (IMEP) is maintained at 440 kPa, and the operation is performed while controlling the engine load.

(比較例1)
以下に示す点火条件(2)(CIC)に従うこと以外は、前述の実施例1と同様の操作により点火を行った。
(Comparative Example 1)
Ignition was performed by the same operation as in Example 1 except that the following ignition condition (2) (CIC) was followed.

<点火条件(2)(CIC)>
・従来回路型点火を実施した。
・スパークギャップ(中心電極−外側(接地)電極間の距離):0.5mm
<Ignition condition (2) (CIC)>
・ Conventional circuit ignition was performed.
・ Spark gap (distance between the center electrode and the outer (ground) electrode): 0.5 mm

(評価結果(1))
図15に示す結果から、比較例1では、IMEP変動率が5%未満の安定領域で点火(運転)可能な最大空燃比(A/F)は20であるのに対し、実施例1では、最大空燃比(A/F)23まで安定に点火(運転)可能であることが明らかである。
(Evaluation result (1))
From the results shown in FIG. 15, in Comparative Example 1, the maximum air-fuel ratio (A / F) that can be ignited (operated) in a stable region where the IMEP fluctuation rate is less than 5% is 20, whereas in Example 1, It is clear that ignition (operation) can be stably performed up to the maximum air-fuel ratio (A / F) 23.

即ち、本発明の内燃機関の点火方法は、実験容器のみならず、実際の内燃機関(エンジン)に点火する場合であっても有効であることが見出された。但し、従来の点火方法であっても、高エネルギーを負荷すれば希薄限界を伸ばせることはよく知られている。そこで、実施例1で用いた回路への供給エネルギーを、この回路における瞬時電圧と電流を測定することによって見積もったところ、約140mJ/サイクルであり、従来の点火方法で供給されるエネルギーとほぼ同等であることが判明した。   That is, it has been found that the ignition method for an internal combustion engine of the present invention is effective not only when igniting an actual internal combustion engine (engine) but also an experimental container. However, it is well known that even the conventional ignition method can extend the lean limit if high energy is applied. Therefore, when the supply energy to the circuit used in Example 1 was estimated by measuring the instantaneous voltage and current in this circuit, it was about 140 mJ / cycle, which is almost equivalent to the energy supplied by the conventional ignition method. It turned out to be.

本発明は、ガソリンエンジンをはじめとする内燃機関の点火方法として好適である。   The present invention is suitable as an ignition method for an internal combustion engine such as a gasoline engine.

81:陽極、82:陰極、83:ストリーマ、13:IES回路、131:低電圧直流電
源、132:コンデンサ、133:インダクタ、134:SIThy、135:FET、
136:ゲート駆動回路、137:ダイオード、139:負荷、PS:パルスストリーマ
放電、FPS:ファインパルスストリーマ放電
81: Anode, 82: Cathode, 83: Streamer, 13: IES circuit, 131: Low voltage DC power supply, 132: Capacitor, 133: Inductor, 134: SIThy, 135: FET,
136: Gate drive circuit, 137: Diode, 139: Load, PS: Pulse streamer discharge, FPS: Fine pulse streamer discharge

Claims (17)

大気圧以上の正圧下、可燃性物質と支燃性ガスを含む可燃性気体の存在下において、下記条件(1)を満たすパルスストリーマ放電を100μs以下の間隔で複数回繰り返し引き起こしてバースト発生させる内燃機関の点火方法。
[条件(1)]:パルス幅、温度、電圧、電流、及び気圧を一定とした状態で点火プラグの電極間にパルス電圧を印加し、横軸にピーク電界強度、及び縦軸にピーク電流密度をそれぞれプロットして得られるグラフにおいて、前記ピーク電界強度と前記ピーク電流密度のいずれかが急激に変化する変曲点のうち、放電開始から数えて2番目の第2変曲点から3番目の第3変曲点までの間に発生するパルス放電。
An internal combustion that generates a burst by repeatedly causing a pulse streamer discharge satisfying the following condition (1) at an interval of 100 μs or less in a presence of a combustible gas including a combustible substance and a combustion-supporting gas under a positive pressure of atmospheric pressure or higher. How to ignite the engine.
[Condition (1)]: A pulse voltage is applied between the electrodes of the spark plug in a state where the pulse width, temperature, voltage, current, and atmospheric pressure are constant, the peak electric field strength is plotted on the horizontal axis, and the peak current density is plotted on the vertical axis. In the graph obtained by plotting each of the above, the third inflection point from the second second inflection point counted from the start of discharge among the inflection points at which either the peak electric field strength or the peak current density changes rapidly. Pulse discharge that occurs until the third inflection point.
前記パルスストリーマ放電を引き起こす前に、下記条件(2)を満たすファインパルスストリーマ放電及び/又はグロー放電を引き起こす請求項1に記載の内燃機関の点火方法。
[条件(2)]:パルス幅、温度、電圧、電流、及び気圧を一定とした状態で点火プラグの電極間にパルス電圧を印加し、横軸にピーク電界強度、及び縦軸にピーク電流密度をそれぞれプロットして得られるグラフにおいて、前記ピーク電界強度と前記ピーク電流密度のいずれかが急激に変化する変曲点のうち、放電開始から数えて1番目の第1変曲点から2番目の第2変曲点までの間に発生するパルス放電。
The ignition method for an internal combustion engine according to claim 1, wherein a fine pulse streamer discharge and / or a glow discharge satisfying the following condition (2) is caused before the pulse streamer discharge is caused.
[Condition (2)]: A pulse voltage is applied between the electrodes of the spark plug in a state where the pulse width, temperature, voltage, current, and atmospheric pressure are constant, the peak electric field strength is plotted on the horizontal axis, and the peak current density is plotted on the vertical axis. In the graph obtained by plotting each of the above, the second inflection point from the first inflection point counted from the start of discharge among the inflection points at which either the peak electric field strength or the peak current density changes rapidly. Pulse discharge generated up to the second inflection point.
大気圧以上の正圧下、可燃性物質と支燃性ガスを含む可燃性気体の存在下において、下記条件(2)を満たすファインパルスストリーマ放電を100μs以下の間隔で繰り返し引き起こし、バースト発生させる内燃機関の点火方法。
[条件(2)]:パルス幅、温度、電圧、電流、及び気圧を一定とした状態で点火プラグの電極間にパルス電圧を印加し、横軸にピーク電界強度、及び縦軸にピーク電流密度をそれぞれプロットして得られるグラフにおいて、前記ピーク電界強度と前記ピーク電流密度のいずれかが急激に変化する変曲点のうち、放電開始から数えて1番目の第1変曲点から2番目の第2変曲点までの間に発生するパルス放電。
An internal combustion engine that repeatedly generates fine pulse streamer discharge satisfying the following condition (2) at intervals of 100 μs or less under a positive pressure higher than atmospheric pressure and in the presence of a flammable gas containing a flammable substance and a combustion-supporting gas. Ignition method.
[Condition (2)]: A pulse voltage is applied between the electrodes of the spark plug in a state where the pulse width, temperature, voltage, current, and atmospheric pressure are constant, the peak electric field strength is plotted on the horizontal axis, and the peak current density is plotted on the vertical axis. In the graph obtained by plotting each of the above, the second inflection point from the first inflection point counted from the start of discharge among the inflection points at which either the peak electric field strength or the peak current density changes rapidly. Pulse discharge generated up to the second inflection point.
大気圧以上の正圧下、可燃性物質と支燃性ガスを含む可燃性気体の存在下において、下記条件(2)を満たすファインパルスストリーマ放電を100μs以下の間隔で繰り返し引き起こしておくと同時に、点火タイミングに合わせて下記条件(1)を満たすパルスストリーマ放電を引き起こし、バースト発生させる内燃機関の点火方法。
[条件(1)]:パルス幅、温度、電圧、電流、及び気圧を一定とした状態で点火プラグの電極間にパルス電圧を印加し、横軸にピーク電界強度、及び縦軸にピーク電流密度をそれぞれプロットして得られるグラフにおいて、前記ピーク電界強度と前記ピーク電流密度のいずれかが急激に変化する変曲点のうち、放電開始から数えて2番目の第2変曲点から3番目の第3変曲点までの間に発生するパルス放電。
[条件(2)]:パルス幅、温度、電圧、電流、及び気圧を一定とした状態で点火プラグの電極間にパルス電圧を印加し、横軸にピーク電界強度、及び縦軸にピーク電流密度をそれぞれプロットして得られるグラフにおいて、前記ピーク電界強度と前記ピーク電流密度のいずれかが急激に変化する変曲点のうち、放電開始から数えて1番目の第1変曲点から2番目の第2変曲点までの間に発生するパルス放電。
In the presence of a combustible gas containing a combustible substance and a combustion-supporting gas under a positive pressure of atmospheric pressure or higher, a fine pulse streamer discharge satisfying the following condition (2) is repeatedly caused at intervals of 100 μs or less, and ignition is performed. A method for igniting an internal combustion engine that causes a pulse streamer discharge that satisfies the following condition (1) in accordance with the timing to generate a burst.
[Condition (1)]: A pulse voltage is applied between the electrodes of the spark plug in a state where the pulse width, temperature, voltage, current, and atmospheric pressure are constant, the peak electric field strength is plotted on the horizontal axis, and the peak current density is plotted on the vertical axis. In the graph obtained by plotting each of the above, the third inflection point from the second second inflection point counted from the start of discharge among the inflection points at which either the peak electric field strength or the peak current density changes rapidly. Pulse discharge that occurs until the third inflection point.
[Condition (2)]: A pulse voltage is applied between the electrodes of the spark plug in a state where the pulse width, temperature, voltage, current, and atmospheric pressure are constant, the peak electric field strength is plotted on the horizontal axis, and the peak current density is plotted on the vertical axis. In the graph obtained by plotting each of the above, the second inflection point from the first inflection point counted from the start of discharge among the inflection points at which either the peak electric field strength or the peak current density changes rapidly. Pulse discharge generated up to the second inflection point.
大気圧以上の正圧下、可燃性物質と支燃性ガスを含む可燃性気体の存在下において、下記条件(2)を満たす1回以上のファインパルスストリーマ放電と、前記ファインパルスストリーマ放電に続く下記条件(1)を満たす1回以上のパルスストリーマ放電との組み合わせを1組以上引き起こし、バースト発生させる内燃機関の点火方法。
[条件(1)]:パルス幅、温度、電圧、電流、及び気圧を一定とした状態で点火プラグの電極間にパルス電圧を印加し、横軸にピーク電界強度、及び縦軸にピーク電流密度をそれぞれプロットして得られるグラフにおいて、前記ピーク電界強度と前記ピーク電流密度のいずれかが急激に変化する変曲点のうち、放電開始から数えて2番目の第2変曲点から3番目の第3変曲点までの間に発生するパルス放電。
[条件(2)]:パルス幅、温度、電圧、電流、及び気圧を一定とした状態で点火プラグの電極間にパルス電圧を印加し、横軸にピーク電界強度、及び縦軸にピーク電流密度をそれぞれプロットして得られるグラフにおいて、前記ピーク電界強度と前記ピーク電流密度のいずれかが急激に変化する変曲点のうち、放電開始から数えて1番目の第1変曲点から2番目の第2変曲点までの間に発生するパルス放電。
One or more fine pulse streamer discharges that satisfy the following condition (2) in the presence of a combustible gas containing a combustible substance and a combustion-supporting gas under a positive pressure of atmospheric pressure or higher, and the following following the fine pulse streamer discharge: An ignition method for an internal combustion engine that causes one or more combinations with one or more pulse streamer discharges that satisfy the condition (1) to generate a burst.
[Condition (1)]: A pulse voltage is applied between the electrodes of the spark plug in a state where the pulse width, temperature, voltage, current, and atmospheric pressure are constant, the peak electric field strength is plotted on the horizontal axis, and the peak current density is plotted on the vertical axis. In the graph obtained by plotting each of the above, the third inflection point from the second second inflection point counted from the start of discharge among the inflection points at which either the peak electric field strength or the peak current density changes rapidly. Pulse discharge that occurs until the third inflection point.
[Condition (2)]: A pulse voltage is applied between the electrodes of the spark plug in a state where the pulse width, temperature, voltage, current, and atmospheric pressure are constant, the peak electric field strength is plotted on the horizontal axis, and the peak current density is plotted on the vertical axis. In the graph obtained by plotting each of the above, the second inflection point from the first inflection point counted from the start of discharge among the inflection points at which either the peak electric field strength or the peak current density changes rapidly. Pulse discharge generated up to the second inflection point.
前記パルスストリーマ放電を引き起こす電気パルスの電界強度が3〜15kV/mmであるとともに、
前記パルスストリーマ放電の立ち上がり時における電圧上昇率(dV/dt)が50kV/μs以上である請求項1、2、4、及び5のいずれか一項に記載の内燃機関の点火方法。
The electric field intensity of the electric pulse causing the pulse streamer discharge is 3 to 15 kV / mm,
The ignition method for an internal combustion engine according to any one of claims 1, 2, 4, and 5, wherein a rate of voltage increase (dV / dt) at the rise of the pulse streamer discharge is 50 kV / µs or more.
前記パルスストリーマ放電を引き起こす電気パルスの電界強度が5〜10kV/mmである請求項6に記載の内燃機関の点火方法。   The ignition method for an internal combustion engine according to claim 6, wherein the electric field intensity of the electric pulse causing the pulse streamer discharge is 5 to 10 kV / mm. 前記パルスストリーマ放電を引き起こす電気パルスの電界強度が7〜10kV/mmである請求項6に記載の内燃機関の点火方法。   The ignition method for an internal combustion engine according to claim 6, wherein the electric field intensity of the electric pulse causing the pulse streamer discharge is 7 to 10 kV / mm. 前記ファインパルスストリーマ放電を引き起こす電気パルスの電界強度が5〜13kV/mmである請求項2〜6のいずれか一項に記載の内燃機関の点火方法。   The ignition method for an internal combustion engine according to any one of claims 2 to 6, wherein an electric field intensity of an electric pulse that causes the fine pulse streamer discharge is 5 to 13 kV / mm. 前記ファインパルスストリーマ放電を引き起こす電気パルスの電界強度が7〜13kV/mmである請求項9に記載の内燃機関の点火方法。   The ignition method for an internal combustion engine according to claim 9, wherein the electric field intensity of the electric pulse causing the fine pulse streamer discharge is 7 to 13 kV / mm. 前記ファインパルスストリーマ放電を引き起こす電気パルスの電界強度が7〜11kV/mmである請求項9に記載の内燃機関の点火方法。   The ignition method for an internal combustion engine according to claim 9, wherein the electric field intensity of the electric pulse causing the fine pulse streamer discharge is 7 to 11 kV / mm. 静電誘導型サイリスタをスイッチングデバイスとするパルス電源により電気パルスを発生させて放電させる請求項1〜11のいずれか一項に記載の内燃機関の点火方法。   The ignition method for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 11, wherein an electric pulse is generated and discharged by a pulse power source using an electrostatic induction thyristor as a switching device. 前記パルス電源が、誘導エネルギー蓄積型電源回路である請求項12に記載の内燃機関の点火方法。   The internal combustion engine ignition method according to claim 12, wherein the pulse power source is an inductive energy storage type power source circuit. 前記パルス電源を用いて発生させる電気パルスの電圧を、誘導エネルギー蓄積時間により制御する請求項12又は13に記載の内燃機関の点火方法。   The internal combustion engine ignition method according to claim 12 or 13, wherein a voltage of an electric pulse generated by using the pulse power source is controlled by an induction energy storage time. 前記パルス電源を用いて発生させる電気パルスの、電圧、間隔、回数、及びこれらの組み合わせを、エンジン制御ユニット(ECU)により制御する請求項12〜14のいずれか一項に記載の内燃機関の点火方法。   The ignition of the internal combustion engine according to any one of claims 12 to 14, wherein the voltage, interval, number of times, and a combination thereof of the electric pulse generated by using the pulse power source are controlled by an engine control unit (ECU). Method. 前記可燃性物質が、メタン、プロパン、ガソリン、軽油、植物由来燃料、水素、及び合成化学燃料からなる群より選択される少なくとも一種である請求項1〜15のいずれか一項に記載の内燃機関の点火方法。   The internal combustion engine according to any one of claims 1 to 15, wherein the combustible substance is at least one selected from the group consisting of methane, propane, gasoline, light oil, plant-derived fuel, hydrogen, and synthetic chemical fuel. Ignition method. 前記支燃性ガスが、空気及び/又は酸素であるとともに、
窒素、二酸化炭素、及び燃焼排ガスからなる群より選択される少なくとも一種の希釈ガスが前記可燃性気体に含まれる請求項1〜16のいずれか一項に記載の内燃機関の点火方法。
The combustion-supporting gas is air and / or oxygen;
The ignition method for an internal combustion engine according to any one of claims 1 to 16, wherein the combustible gas contains at least one dilution gas selected from the group consisting of nitrogen, carbon dioxide, and combustion exhaust gas.
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