JP2010249033A - 火花点火式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】火花点火式内燃機関において、火花放電と電界とを反応させてプラズマを生成し混合気に着火する場合、マイクロ波を用いてプラズマを生成する構成では、プラズマは、マイクロ波による電界の強度により生成される量が決まるもので、その量が多い状態で火花放電と反応すると、アンテナが高温にさらされることで消耗され、燃焼室内に異物が残留したり、マイクロ波の放射性能が低下するなどの不具合が生じた。
【解決手段】電磁波により燃焼室内に生成されるプラズマと点火プラグによる火花放電とを反応させて混合気に着火する火花点火式内燃機関であって、
電磁波の放射部を、点火プラグから電磁波の波長の１／２長さ以上離れた燃焼室の位置に設けてなる。
【選択図】図２

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。

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。

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。

特開２００７‐３２３４９号公報

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アンテナとを、導波管に接続する同軸ケーブルで接続する構成となる。この場合、プラズマは、マイクロ波による電界の強度により生成される量が決まるもので、アンテナの近傍においてその量が多い状態で火花放電と反応すると、アンテナが高温にさらされることで消耗される。このため、アンテナが消耗されることにより、燃焼室内に異物が残留したり、マイクロ波の放射性能が低下するなどの不具合が生じた。

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。

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、電磁波の放射部を、点火プラグから電磁波の波長の１／２長さ以上離れた燃焼室の位置に設けてなることを特徴とする。

このような構成によれば、点火プラグと電磁波の放射部との間は、電磁波の波長の少なくとも１／２長さ離れているので、点火プラグと電磁波の放射部との間の位置において電界強度が０となる領域がある。そのため点火プラグの位置において発生したプラズマの大部分は放射部へと到達することがなく、放射部のプラズマによる消耗を抑制することが可能になる。

プラズマの生成を良好にするには、電磁波の放射部を、点火プラグから電磁波の波長の１／２長さの整数倍離れた燃焼室の位置に設けるものが好ましい。このような構成であれば、放射部の位置において最大となる電界強度は、点火プラグの位置においても強くなる。そのため、点火プラグの位置においては多くのプラズマを得ることができる。

本発明は、以上説明したような構成であり、点火プラグの位置で発生したプラズマが電磁波の放射部まで拡大することを防止でき、放射部がプラズマによって消耗することを抑制することができる。

本発明の実施形態の断面図。 同実施形態における点火プラグとアンテナとの位置関係を、マイクロ波の電圧波形との関係において示すグラフ。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１に、１気筒における点火プラグ１の取付部分を拡大して示す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）形式のものである。エンジン１００は、シリンダブロック２とシリンダヘッド３とを備えてなり、シリンダブロック２は、ピストン４が往復作動するシリンダボア５を備え、シリンダヘッド３は燃焼室６を備える。シリンダヘッドには、吸気ポート７と排気ポート８とが形成してあり、吸気ポート７と排気ポート８とは、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ヶ所で燃焼室６に通じるように開口するものである。吸気ポート７は吸気弁９により閉鎖され、吸気カムシャフト１０が回転することにより吸気弁７が作動して開放され、排気ポート８は排気弁１１により閉鎖され、排気カムシャフト１２が回転することにより排気弁１１が作動して開放されるものである。そして、シリンダヘッド３の燃焼室６の天井部分には、プラズマを生成するための電磁波であるマイクロ波を、燃焼室６内部に放射する放射部たるアンテナ１３が設けてある。

アンテナ１３は、例えばモノポール型のものであり、シリンダヘッド３を貫通して燃焼室６に達する貫通孔１３ａに充填された絶縁材１３ｂにより、その端部が燃焼室６に露出する状態にシリンダヘッド３とは電気的に絶縁されて設けられる。アンテナ１３の先端は、点火プラグ１からマイクロ波の波長の１／２長さの整数倍離れた部位に位置させる。具体的には、図２に示すように、アンテナ１３から放射されるマイクロ波が形成する電界の強度が最大になる、定在波の腹に対応する位置に点火プラグ１を配置するとともに、少なくとも一つの定在波の節を挟んで定在波の腹に対応する位置にアンテナ１３が位置するものである。アンテナ１３は、図示しない高周波発生装置、すなわちマグネトロンとそのマグネトロンの出力及び出力時期を制御する制御回路を備える高圧交流発生装置から出力されるマイクロ波を導く同軸ケーブルに接続してあり、アンテナ１３の位置は定在波の腹となる性質がある。

このような構成において、アンテナ１３は、エンジン１００のそれぞれの気筒に対して上述した要領で設けられ、点火に際してプラズマを生成するためにマイクロ波を放射するものである。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。

点火に際しては、点火プラグ１に点火コイル（図示しない）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アンテナ１３から放射される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。

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。

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。

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。

以上に説明した構成では、点火プラグ１が、アンテナ１３からマイクロ波の波長の１／２長さの整数倍だけ離れていることで、高周波電界の強度が最大となる領域に配置され、アンテナ１３は点火プラグ１に対して高周波電界の強度が最低つまりほぼ０となる領域を挟んで位置するものである。このため、火花放電を発生させると、高周波電界の強度が高い点火プラグ１周辺では十二分にプラズマが生成される。この結果、上述したように、火花放電が増大され、プラズマが発生し着火領域が拡大されて高い燃焼速度で燃焼が拡大する。

一方、アンテナ１３の位置は、マイクロ波の腹となるため高周波電界の強度は強いものの、点火プラグ１の周囲で発生したプラズマの大部分は、高周波電界の強度が低くプラズマの生成が抑制されるマイクロ波の節に到達した時点でエネルギーを失い、通常の分子状態に戻るため、マイクロ波の節を越えてアンテナ１３に到達することもない。その結果、アンテナ１３が過剰な高温にさらされることがなく、従って温度変化による消耗が抑制される。これにより、アンテナ１３を構成する部材を細いものにすることができるとともに耐久性を向上させることができる。

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。

上述の実施形態では、アンテナ１３を燃焼室６の天井部分から燃焼室６内部に突出した構造を説明したが、アンテナは、シリンダボア５に開口する凹部内に設けられるものであってもよい。すなわち、アンテナは、シリンダボア５の内面から突出することができないので、凹部内に設けるものであり、この場合においても、アンテナと点火プラグ１との間の距離は、使用するマイクロ波の波長の１／２長さの整数倍の長さに設定するものである。

上述の実施形態では高周波発生装置としてマグネトロンを備えるものを説明したが、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。

また、上述の実施形態では電磁波としてマイクロ波を利用するものを説明したが、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１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。

さらに、上述の実施形態ではアンテナ１３と点火プラグ１との間の距離を、使用する電磁波の波長の１／２長さの整数倍の長さに設定するものを説明したが、点火プラグ１は、アンテナ１３から使用する電磁波の波長の１／２長さ以上離れており、プラズマが発生可能な程度に電界強度の強さがある位置に配置すればよい。

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。

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。

１…点火プラグ
１３…アンテナ
６…燃焼室

Claims (2)

1. 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、
   電磁波の放射部を、点火プラグから電磁波の波長の１／２長さ以上離れた燃焼室の位置に設けてなる火花点火式内燃機関。
2. 電磁波の放射部を、点火プラグから電磁波の波長の１／２長さの整数倍離れた燃焼室の位置に設けてなる請求項１記載の火花点火式内燃機関。

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