JP2011007158A - 火花点火式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】点火に際してプラズマを使用する内燃機関にあっては、アルミ合金などの金属で製作されているシリンダヘッドの燃焼室やピストンなど壁面が、内燃機関の運転中にオゾンなどの活性酸素種と接触することになり、点火時にプラズマを用いていない内燃機関に比較して、燃焼室やピストンなどが常時オゾンなどの活性酸素種にさらされて、より早期に酸化してしまうことがある。
【解決手段】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て混合気に着火する火花点火式内燃機関であって、燃焼室の内壁に無孔質の酸化膜を設けてなり、特には酸化膜を、少なくとも点火プラグの周辺位置に設けてなるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、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て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、プラズマは、エネルギを加えることにより気体を構成する原子や分子の運動が激しくなり、その結果、それらの一部又は多くが負の電荷をもつ電子と正の電荷を持つイオンなどに分かれ、全体としては電気的中性を保ちながら動き回る、独特の性質を有する物質の状態である。このようなプラズマはまた、ＯＨラジカルやＮラジカルさらにはオゾンなどの活性酸素種を含んでいる。

特許文献１に記載の内燃機関にあっては、アルミ合金などの金属で製作されているシリンダヘッドの燃焼室やピストンなど壁面は、内燃機関の運転中にオゾンなどの活性酸素種と接触することになる。このため、点火時にプラズマを用いていない内燃機関に比較して、燃焼室やピストンなどが常時オゾンなどの活性酸素種にさらされて、より早期に酸化してしまうことがある。

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、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て混合気に着火する火花点火式内燃機関であって、燃焼室の内壁に無孔質の酸化膜を設けてなることを特徴とする。

このような構成によれば、酸化膜により燃焼室の内壁を構成する金属例えばアルミニウムがプラズマ生成に伴い発生するオゾンなどの活性酸素種により酸化されることを抑制することが可能になる。この場合に、酸化膜が無孔質であるので、多孔質の酸化膜において孔にオゾンなどの活性酸素種が浸入して酸化膜が酸化されることをも抑制することが可能になる。

酸化を効果的に抑制するためには、酸化膜を、少なくとも点火プラグの周辺位置に設けてなるものが好ましい。

なお、本発明において無孔質とは、酸化膜が表面に開口する孔を有していないもの、及び表面に開口する孔を封孔処理により塞いで使用時には表面に開口がない状態であるものを含むものである。

上述した、電界を生成させる電界生成手段としては、各種の周波数の電磁波を発生させる電磁波発生装置、燃焼室内に配置される一対の電極に交流電圧を印加する交流電圧発生装置、及び同じく一対の電極に脈流電圧を印加する脈流電圧発生装置などが挙げられる。

電磁波発生装置が発生する電磁波としては、マイクロ波、各種無線通信例えばアマチュア無線において使用される周波数を含む高周波、及びマイクロ波より波長の短いレーザなどが挙げられる。なお、レーザの場合は、他の電磁波発生装置とは構成の異なるレーザ発振装置を使用する。

交流電圧発生装置が出力する交流電圧は、上述の高周波と等しい周波数のものである。

脈流電圧発生装置は、周期的に電圧が変化する直流電圧を発生させるものであればよく、その直流電圧の波形は任意であってよい。すなわち、本願における脈流電圧は、０ボルトを含む基準となる電圧から、一定周期で一定電圧まで変化するパルス電圧や、一定周期で順次増減する電圧まで変化する、例えば交流電圧を半波整流したような波形の直流電圧、さらには交流に直流バイアスをかけた直流電圧などを含むものである。この場合において、一定周期は、上述の高周波における周波数に対応するものであってよい。なお、波形は、上述したものに限定されるものではなく、正弦波、鋸歯状波、三角波などであってもよい。

本発明は、以上説明したような構成であり、燃焼の毎に生成されるプラズマによる燃焼室内壁の酸化を抑制することができる。

本発明の実施形態を示す要部拡大断面図。 本発明の実施形態において使用できる電磁波発生装置の構成を示すブロック図。 本発明の実施形態において使用できる交流電圧発生装置の構成を示すブロック図。 図３におけるＨブリッジ回路の一例を示す回路図。

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気筒の構成を概略的に示したエンジン１００は、自動車用の３気筒のものである。以下の説明にあっては、１気筒の燃焼室を中心とした構造について説明する。エンジン１００は、アルミニウム製で、シリンダブロック１とそのシリンダブロック１に取り付けられるシリンダヘッド２とシリンダブロック１のシリンダボア３内を往復作動するピストン４とを主として備えている。

シリンダブロック１は、図示しないクランクシャフトの方向に３つのシリンダボア３を備えるものである。それぞれのシリンダボア３は、ウォータジャケット５で冷却される構造である。

シリンダヘッド２には、それぞれのシリンダボア３に対応してほぼドーム形状（ペントルーフ型）の燃焼室６が形成してあり、この燃焼室６を中心にして吸気ポート７、排気ポート８、点火プラグ取付孔９などが形成してある。そして、シリンダヘッド２には、吸気ポート７を開閉する吸気弁１０、排気ポート８を開閉する排気弁１１、点火プラグ１２が取り付けてあり吸気ポート２には燃料室へ供給する混合気を生成するための燃料噴射弁を備える。以上に説明したシリンダブロック１及びシリンダヘッド２の構成自体は、この分野でよく知られている火花点火式のエンジンの構造と同じであってよい。

このシリンダヘッド２の、燃焼室６の天井面すなわちピストン４の頂面４ａに対向する面には、酸化膜１３が形成してある。この実施形態にあっては、点火プラグ１２が燃焼室６の天井に取り付けてあるので、酸化膜１３は、点火プラグ１２の周辺位置を含めて天井面全体に設けてある。なお、酸化膜１３は、非常に薄いものであり、図１にあっては、その形成位置を明確にするために、他の構成要素より厚みを強調して図示している。

酸化膜１３は、例えば陽極酸化処理により形成されるリン酸アルマイトである。リン酸アルマイトは、陽極酸化処理直後においては多孔質であるので、酸化膜表面を平滑化つまり無孔質とするために、封孔処理を施す。これに加えて、この実施形態においては、圧縮行程及び膨張行程の閉じている際に燃焼室６の天井面の一部を構成する吸気弁１０及び排気弁１１のそれぞれのバルブヘッド１０ａ，１１ａ、及び上死点の近傍位置において燃焼室６の底面となるピストン４の頂面４ａそれぞれの表面に対しても、封孔処理を施したリン酸アルマイトからなる酸化膜１４，１５，１６が形成してある。

このような構成において、このエンジン１００にあっては、運転状態では電界生成手段であるマイクロ波発生装置が発生するマイクロ波を例えば誘電体が充填されたホーン型のアンテナから燃焼室６内に放射し、それにより生成される電界と点火プラグ１２による火花放電とを反応させてプラズマを生成して、混合気に着火するように構成されている。アンテナは、燃焼室６内又は燃焼室６内に臨む位置であって、アンテナにより生成する電界の方向が、点火プラグ１２による火花放電の方向に対して直交する方向成分を持つ位置を選定し設置することが望ましい。マイクロ波発生装置は、マグネトロンとマグネトロンを制御する制御回路とを備える。マグネトロンが出力するマイクロ波は、導波管によりアンテナに供給される。制御回路は、エンジン１００の運転を制御する電子制御装置から出力されるマイクロ波発生信号に基づいてマグネトロンが出力するマイクロ波の出力時期及び出力電力を制御するものである。プラズマを生成する場合、マイクロ波がアンテナに供給されることにより、燃焼室６内には、点火プラグ１２による火花放電に対して直交する方向成分を持つ方向に電界が形成される。

点火に際しては、点火プラグ１２に点火コイル（図示しない）により火花放電を発生させて、火花放電開始とほぼ同時あるいは火花放電開始の直後あるいは火花放電開始直前にマイクロ波により電界を発生させ、火花放電と電界とを反応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。なお、火花放電開始直後とは、遅くとも火花放電を構成する誘導放電の開始時が好ましい。

具体的には、点火プラグ１２による火花放電が高周波電界中でプラズマになり、当該プラズマにて混合気に着火を行うことで火炎伝播燃焼の始まりとなる火炎核が火花放電のみの点火に比べて大きくなるとともに燃焼室６内に大量のラジカルが発生することで燃焼が促進される。

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、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、飛躍的に混合気への着火領域が大きくなり、火炎伝播燃焼の始まりとなる火炎核も大きくなるものである。

この結果、火花放電と電界とが反応し発生したプラズマ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１２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。

このような燃焼時において、プラズマを生成することにより発生するオゾンなどの活性酸素種は金属の酸化に顕著に作用するものであるが、燃焼室６の天井面、吸気弁１０と排気弁１１とのバルブヘッド１０ａ，１１ａ、及びピストン４の頂面４ａにはそれぞれ酸化膜１３，１４，１５，１６が形成してあるので、生成されたプラズマに含まれるオゾンなどの活性酸素種によりシリンダヘッド２、吸気弁１０、排気弁１１及びピストン４が酸化されることはない。この場合、酸化膜１３，１４，１５，１６は封孔処理により表面が無孔状態になっているので、酸化膜１３，１４，１５，１６内にオゾンなどの活性酸素種が浸入することもないので、酸化膜１３，１４，１５，１６自体が劣化（酸化）することもない。

したがって、このように、プラズマを使用して混合気に着火する方式のものであっても、燃焼室６及び燃焼室６に関わり合う吸気弁１０、排気弁１１及びピストン４の頂面４ａの酸化を抑制することができ、エンジン１００の耐久性が下がることを抑えることができる。

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。

酸化膜としては、上述の実施形態で説明したリン酸アルマイト以外に、無孔質のものであればよく、例えばＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）、ＳｉＯ₂（酸化ケイ素）などであってもよい。これらの酸化膜にあっても、その表面にオゾンなどの活性酸素種が入る可能性のある孔がないか、もしくは封孔処理を施すことにより孔がない状態と同様であるものを用いる。

又、陽極酸化処理により酸化膜１３，１４，１５，１６を形成するものを説明したが、酸化膜は薄膜形成技術、特には、化学的蒸着や物理的蒸着を含む気相法により形成するものであってよい。

さらに、上述の実施形態にあっては、点火プラグ１２の周辺を含んで、燃焼室６の天井面に酸化膜１３を形成するとともに、吸気弁１０のバルブヘッド１０ａ、排気弁１１のバルブヘッド１１ａ及びピストン４の頂面４ａにそれぞれ酸化膜１４，１５，１６を設けたものを説明したが、これに加えて、シリンダボア３に酸化膜を設けるものであってもよい。

マイクロ波発生装置としては、上述のようなマグネトロン以外に、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。

加えて、マイクロ波を放射するアンテナとしては、ホーン型、ビーム型、さらにはモノポール型のアンテナであってよい。

さらには、点火プラグ１２の中心電極をアンテナとして機能させて、高周波給電部とするものであってもよい。この場合、高周波を一定の電圧で中心電極に継続して印加すると、中心電極の温度が過剰に上昇するため、中心電極の耐熱温度に基づいて設定する上限温度を下回るように、高周波の電圧を制御するものである。

一方、マイクロ波発生装置を含む電磁波発生装置における電磁波の周波数についてはマイクロ波の周波数帯に限られるものではなく、点火プラグ１２の火花放電部分に電界を生成しプラズマを生成させることが可能な周波数であればよい。したがって、電磁波発生装置としては、例えば図２に示すような構成のものが好適である。

図２に示す電磁波発生装置３０は、例えば３００ＭＨｚの電磁波を発振する送信機３１と、送信機３１の出力端に同軸ケーブル３２で接続されるマッチングチューナ（又はアンテナチューナ）３３と、マッチングチューナ３３の出力端に不平衡ケーブル３４で接続されるとともにイグナイタ３５にも接続されるミキサ３６とを備えている。この例にあっては、点火プラグ１２の中心電極１２ａが電磁波を放射するアンテナとして機能するもので、したがって、ミキサ３６は、マッチングチューナ３３を介して送信機３１が出力する電磁波を点火プラグ１２の中心電極１２ａに印加するとともに、イグナイタ３５からの点火信号を中心電極１２ａに印加する。ミキサ３６は、送信機３１からの電磁波とイグナイタ３５からの点火信号を混合するものである。

この例では、送信機３１からの電磁波により、中心電極１２ａと接地電極１２ｂとの間に電界が生成される。生成された電界と、中心電極１２ａと接地電極１２ｂとの間に発生する火花放電とが反応してプラズマが生成され、混合気に着火するものである。

また、電磁波発生装置としては、レーザ発振装置が挙げられる。レーザ発振装置は、レーザダイオードと、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）とシリンドリカルレンズを含むレンズアセンブリとを組み合わせたものが使用できる。レーザ発振装置から出力されるレーザは、光ファイバを介して燃焼室に送られる。この場合、光ファイバは、点火プラグのハウジングの中を通過してその先端が中心電極と接地電極との間隙に向けて取り付けられる。レーザは、火花放電に先立って、火花放電が生じる位置に照射されるのが好ましい。

光ファイバから射出されるレーザは、前述の間隙に集中して、間隙近傍に電界を集中させる。したがって、レーザの指向性により電界を所期の位置に生成することができ、プラズマを混合気の着火に最も好適な位置に生成することができる。

以上に説明した電磁波発生装置に代えて、交流電圧発生装置を使用するものであってもよい。図３に示す交流電圧発生装置４０は、車両用のバッテリ４１の電圧例えば約１２Ｖ（ボルト）を昇圧回路であるＤＣ−ＤＣコンバータ４２にて３００〜５００Ｖに昇圧し、その後、図４に例示するＨブリッジ回路４３にて周波数が約１ＭＨｚ〜５００ＭＨｚ、好ましくは１００ＭＨｚの交流に変化させ、さらに昇圧トランス４４により約４ｋＶｐ‐ｐ〜８ｋＶｐ‐ｐに昇圧する構成である。

このような交流電圧発生装置４０において、例えば点火プラグ１２の中心電極１２ａと接地電極１２ｂとを、電界を生成するための一対の電極とする場合、上述の電磁波発生装置３０と同様に、交流電圧の出力端部となる昇圧トランス４４とイグナイタと点火プラグ１２との間にはミキサが配置される。そして、中心電極１２ａと接地電極１２ｂとの間に高圧の交流電圧を印加することで、放電域である点火プラグ１２の間隙に上記周波数帯であって極性が交互に入れ替わる電界が生成される。したがって、生成された電界と火花放電とが反応してプラズマが点火プラグ１２周辺に生成され、混合気を着火するものである。なお、この一対の電極を中心電極１２ａと接地電極１２ｂとで構成するものの場合に、接地電極１２ｂに代えて、シリンダヘッド、シリンダブロックあるいはピストンで代用するものであってもよい。

一対の電極は、上述した点火プラグ１２の中心電極１２ａと接地電極１２ｂとを使用する以外に、点火プラグ１２を挟む位置に電極を配置する構成でもよい。すなわち、所定の距離離して、対向して一対の電極を配置する。この場合に、点火プラグ１２がその電極間に位置するように、一対の電極は配置する。この場合においても、電極の一方を、接地電極、シリンダヘッド、シリンダブロックあるいはピストンで代用するものであってもよい。

なお、このような交流電圧発生装置に代えて、脈流発生装置を使用するものであってもよい。つまり、一対の電極間に交流を印加する代わりに、パルス電圧などの脈流電圧を印加することにより、一対の電極間に電界を生成するものである。脈流発生装置は、交流電圧発生装置と同様に、バッテリから供給される直流をＤＣ？ＤＣコンバータで昇圧し、高圧の直流を所定周期で断続することにより脈流とし、その脈流を昇圧トランスにより昇圧して一対の電極に印加する構成である。脈流発生装置の場合、Ｈブリッジ回路に代えて周期的にオン・オフするスイッチング回路を用いる。このような脈流発生回路を使用することによっても、一対の電極間に電界を生成することができ、上述の実施形態同様の効果を得ることができる。

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。

６…燃焼室
１２…点火プラグ
１３…酸化膜
１４…酸化膜
１５…酸化膜
１６…酸化膜

Claims (2)

1. 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て混合気に着火する火花点火式内燃機関であって、
   燃焼室の内壁に無孔質の酸化膜を設けてなる火花点火式内燃機関。
2. 酸化膜を、少なくとも点火プラグの周辺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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