JP2010249028A - Spark ignition type internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃焼室内に電界を生成させ、電界と点火プラグによる火花放電とによりプラズマを生成し混合気に着火する火花点火式内燃機関に関するものである。 The present invention relates to a spark ignition internal combustion engine that generates an electric field in a combustion chamber, generates plasma by the electric field and spark discharge by an ignition plug, and ignites an air-fuel mixture.
従来、車両、特には自動車に搭載される火花点火式内燃機関においては、点火プラグの中心電極と接地電極との間の火花放電により、点火時期毎に燃焼室内の混合気に着火している。このような点火プラグによる着火にあって、例えば燃料を直接気筒内に噴射する型式の内燃機関において、噴射した燃料を点火プラグの火花放電の位置に分布させないと、着火しないことが希に生じる。 2. Description of the Related Art Conventionally, in a spark ignition internal combustion engine mounted on a vehicle, particularly an automobile, an air-fuel mixture in a combustion chamber is ignited at each ignition timing by spark discharge between a center electrode and a ground electrode of a spark plug. In such ignition by an ignition plug, for example, in an internal combustion engine of a type in which fuel is directly injected into a cylinder, if the injected fuel is not distributed at the spark discharge position of the ignition plug, it rarely occurs.
このため、このような内燃機関では、点火プラグの火花放電を補うために、例えば特許文献1に記載のもののように、点火プラグの放電領域にプラズマ雰囲気を生成しておき、プラズマ雰囲気中にアーク放電を行うことにより、従来に比べて高い電圧を印加することなく燃焼室内の混合気に確実に着火し、安定した火炎を得ることができるように構成したものが知られている。
For this reason, in such an internal combustion engine, a plasma atmosphere is generated in the discharge region of the spark plug, for example, as described in
ところで、大気圧下でプラズマを生成する方法として、電磁波特にはマイクロ波を用いるものが考えられている。マイクロ波を用いる場合、マイクロ波を出力する例えばマグネトロンと、燃焼室にマイクロ波を供給するように設けられる例えばモノポール型アンテナとを、導波管と同軸ケーブルとを介して接続する構成となる。この場合、モノポール型アンテナは、燃焼室内に突き出した状態で設置される。通常、モノポール型アンテナは、電磁波を放射するだけでよいので、点火プラグの中心電極や接地電極に比べて細いものでよい。 By the way, as a method of generating plasma under atmospheric pressure, an electromagnetic wave, particularly using microwaves is considered. When microwaves are used, for example, a magnetron that outputs microwaves and a monopole antenna that is provided to supply microwaves to the combustion chamber are connected via a waveguide and a coaxial cable. . In this case, the monopole antenna is installed in a state protruding from the combustion chamber. Usually, the monopole antenna only needs to radiate electromagnetic waves, so that it may be thinner than the center electrode or ground electrode of the spark plug.
このようなモノポール型アンテナにあっては、基本的にはアンテナを中心に電界が形成されてプラズマが形成される。しかしながら、モノポール型アンテナのように全方位に指向性を有するアンテナでは、点火プラグの近傍以外にも電磁波が放射されて電界が形成されるため、プラズマが点火プラグの近傍以外に形成されることがある。このような場合、そのような予想外の位置に形成されたプラズマにより、燃焼が不安定になることがあった。 In such a monopole antenna, basically, an electric field is formed around the antenna to form plasma. However, in an antenna having directivity in all directions, such as a monopole antenna, an electromagnetic field is radiated in addition to the vicinity of the spark plug and an electric field is formed, so that plasma is formed in the vicinity of the spark plug. There is. In such a case, combustion may become unstable due to the plasma formed at such an unexpected position.
そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。 Therefore, the present invention aims to eliminate such problems.
すなわち、本発明の火花点火式内燃機関は、電磁波により燃焼室内に生成される電界と点火プラグによる火花放電とを反応させてプラズマを生成し混合気に着火する火花点火式内燃機関であって、燃焼室の内径を、電磁波の波長の1/2以下に設定することを特徴とする。 That is, the spark ignition internal combustion engine of the present invention is a spark ignition internal combustion engine that generates plasma by reacting an electric field generated in a combustion chamber by electromagnetic waves and a spark discharge by an ignition plug to ignite an air-fuel mixture, The internal diameter of a combustion chamber is set to 1/2 or less of the wavelength of electromagnetic waves, It is characterized by the above-mentioned.
このような構成によれば、燃焼室内に電磁波が放射されると、燃焼室の内径が電磁波の波長の1/2以下であるので、燃焼室内に拡散することが困難になる。このため、電磁波による電界を、燃焼室内の所望の位置に形成することが可能になる。 According to such a configuration, when electromagnetic waves are radiated into the combustion chamber, it becomes difficult to diffuse into the combustion chamber because the inner diameter of the combustion chamber is ½ or less of the wavelength of the electromagnetic waves. For this reason, it becomes possible to form the electric field by electromagnetic waves in the desired position in a combustion chamber.
本発明は、以上説明したような構成であり、燃焼室内の不要な位置への電磁波の放射を抑制することができ、よって予想外の位置にプラズマが生成されることを抑えて、良好な燃焼を保証することができる。 The present invention has a configuration as described above, and can suppress the emission of electromagnetic waves to unnecessary positions in the combustion chamber, thereby suppressing the generation of plasma at unexpected positions and achieving good combustion. Can be guaranteed.
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1に、1気筒における構成を示す、点火プラグ1の取り付けられた火花点火式内燃機関であるエンジン100は、例えば3気筒のダブルオーバーヘッドカムシャフト(DOHC)形式のもので、吸気ポート2の開口3及び排気ポート4の開口5が、燃焼室6の天井部分のほぼ中央に取り付けられる点火プラグ1を中心として対向配置されて、1気筒当たりそれぞれ2ヶ所に開口するものである。すなわち、このエンジン100は、シリンダブロック7に取り付けられ、燃焼室6の天井部分を形成しているシリンダヘッド8には、吸気側と排気側とにそれぞれカムシャフト9、10が取り付けてある。シリンダヘッド8の吸気ポート2は、カムシャフト9が回転することにより往復作動する吸気弁11により、また排気ポート4は、カムシャフト10が回転することにより往復作動する排気弁12によりそれぞれ開閉されるものである。なお、この図1においては、点火プラグ1から点火コイルがはずされた状態で、エンジン100を図示している。
An
点火プラグ1は、導電材料からなるハウジング13と、ハウジング13内に絶縁されて取り付けられる中心電極14と、中心電極14から離れてハウジング13の下端に設けられる接地電極15とを備える。すなわち、点火プラグ1は、ハウジング13がほぼ円柱形状の絶縁碍子16を支持し、絶縁碍子16の上端に取り付けられる接続端子17が、絶縁碍子16の下端から突出する中心電極14と図示しない中軸により電気的に接続され、ハウジング13下端から中心電極14下端に対向する位置まで延びる位置に接地電極15がハウジング13に一体的に設けてある構造である。この実施形態では、中心電極14を、電磁波であるマイクロ波を放射するためのアンテナとして機能させる。このために、点火プラグ1の中心電極14には、火花放電のための点火コイルが接続されるとともに、プラズマを生成するための電磁波であるマイクロ波を出力する図示しないマグネトロンが接続されている。したがって、以下に説明するようにして、マグネトロンから出力されるマイクロ波が、点火プラグ1の中心電極14に印加されるものである。
The
燃焼室6は、吸気弁11及び排気弁12により吸気ポート2の開口3及び排気ポート4の開口5が閉じられた状態で、ほぼ円錐形をしている。燃焼室6の下端つまりシリンダボア7aと連続する位置の内法(内径)Dは、点火時に燃焼室6内に放射するマイクロ波の波長の1/2以下に設定している。つまり、燃焼室6の内径Dは、最大の寸法部分でマイクロ波の波長の1/2である。
The
このような構成において、このエンジン100は、燃焼室6内の混合気に点火プラグ1を用いて着火する場合に、点火プラグ1の火花放電を燃焼室6内に生成する電界と反応させることにより、点火プラグ1の火花放電を電界と反応させない場合の火花放電に比較して、大きくしている。
In such a configuration, when the air-fuel mixture in the
点火に際しては、点火プラグ1に点火コイルにより火花放電を発生させて、火花放電とほぼ同時あるいはその直後にマイクロ波により高周波電界を発生させてプラズマを生成させることにより、燃焼室6内の混合気を急速に燃焼させる構成である。
At the time of ignition, a spark discharge is generated in the
具体的には、点火プラグ1による火花放電が高周波電界中でプラズマになり、火炎が大きくなる。
Specifically, the spark discharge by the
これは、火花放電による電子の流れ及び火花放電によって生じたイオンやラジカルが、高周波電界の影響を受け振動、蛇行することで行路長が長くなり、周囲の水分子や窒素分子と衝突する回数が飛躍的に増加することによるものである。イオンやラジカルの衝突を受けた水分子や窒素分子は、OHラジカルやNラジカルになると共に、イオンやラジカルの衝突を受けた周囲の気体は電離した状態、言換するとプラズマ状態となることで、飛躍的に火炎が大きくなるものである。 This is because the flow of electrons due to the spark discharge and the ions and radicals generated by the spark discharge oscillate and meander due to the influence of the high-frequency electric field, resulting in a longer path length and the number of collisions with surrounding water and nitrogen molecules. This is due to a dramatic increase. Water molecules and nitrogen molecules that have been struck by ions and radicals become OH radicals and N radicals, and the surrounding gas that has been struck by ions and radicals is ionized, in other words, a plasma state. The flame will increase dramatically.
この結果、高周波電界と反応することにより増大した火花放電により混合気に着火するため、着火領域が拡大し、点火プラグ1のみの二次元的な着火から三次元的な着火になる。したがって、初期燃焼が安定し、上述したラジカルの増加に伴って燃焼が燃焼室6内に急速に伝播し、高い燃焼速度で燃焼が拡大する。
As a result, the air-fuel mixture is ignited by the spark discharge increased by reacting with the high-frequency electric field, so that the ignition region is expanded and the two-dimensional ignition of only the
以上のようにして、燃焼室6内にプラズマを発生させる場合、点火プラグ1の中心電極14を、マイクロ波を放射するアンテナとして機能させる。中心電極14から放射されたマイクロ波は、中心電極14近傍において最も強度の高い高周波電界を形成する。これは、燃焼室6がほぼ円錐形状をしており、点火プラグ1が取り付けられた燃焼室6の天井部分のほぼ中央からシリンダボア7aに向かって内法が大きくなることにより、燃焼室6内がマイクロ波の遮断領域における寸法に近づくためである。つまり、燃焼室6は、上述したように、その最大寸法部分の内径Dがマイクロ波の波長の1/2以下に設定してあるので、中心電極14から放射されたマイクロ波による高周波電界の強度は、中心電極14から遠ざかるに従って対数的に減衰する。
When plasma is generated in the
この結果、放射されたマイクロ波は、点火に不必要な部位には到達するものの、非常に強度の低い高周波電界しか形成しない。つまり、高周波電界は、燃焼室6内に均等な強度で分布するものではなく、点火プラグ1の中心電極14と接地電極15との近傍、すなわち点火のタイミングで火花が発生する部位の近傍において最も強度が高くなるように分布する。従って、必要な部位でのみ高強度の高周波電界が形成されるので、良好な着火性を実現することができると共に、予想外の位置にプラズマが生成さることがなく不安定な燃焼の発生を抑制することができる。
As a result, the radiated microwave reaches a portion unnecessary for ignition, but forms only a high-frequency electric field having a very low intensity. That is, the high-frequency electric field is not distributed with equal intensity in the
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。 In addition, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment.
上述の実施形態においては、点火プラグ1の中心電極14をアンテナとして機能させたが、中心電極14とは別のアンテナを備えるものであってもよい。
In the above-described embodiment, the
上述の実施形態ではマイクロ波を出力するものとしてマグネトロンを説明したが、マグネトロンに代えて、進行波管などであってよく、さらには半導体によるマイクロ波発振回路を備えるものであってもよい。 In the above-described embodiment, the magnetron is described as outputting microwaves. However, instead of the magnetron, a traveling wave tube or the like may be used, and a semiconductor microwave oscillation circuit may be provided.
また、電磁波の周波数についてはマイクロ波の周波数領域に限られるものではなく、点火プラグの火花放電部分に極性が交互に入れ替わる電界を生成しプラズマを発生させることが可能な周波数であればよい。 Further, the frequency of the electromagnetic wave is not limited to the microwave frequency range, and any frequency may be used as long as it can generate an electric field in which the polarity is alternately switched in the spark discharge portion of the spark plug to generate plasma.
その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。 In addition, the specific configuration of each part is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
本発明の活用例として、ガソリンや液化天然ガスを燃料として点火プラグによる火花放電を着火に必要とする火花点火式内燃機関に活用することができる。 As an application example of the present invention, it can be used for a spark ignition type internal combustion engine that uses gasoline or liquefied natural gas as fuel and requires spark discharge by an ignition plug for ignition.
1…点火プラグ
6…燃焼室
D…内径
1 ...
Claims (1)
燃焼室の内径を、電磁波の波長の1/2以下に設定する火花点火式内燃機関。 A spark ignition internal combustion engine that generates plasma by reacting an electric field generated by an electromagnetic wave in a combustion chamber with a spark discharge by an ignition plug, and ignites an air-fuel mixture,
A spark ignition internal combustion engine in which the inner diameter of the combustion chamber is set to ½ or less of the wavelength of the electromagnetic wave.
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