JP2011007163A - Spark-ignition internal combustion engine - Google Patents

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亮平 楠
Takeshi Serizawa
毅 芹澤
Hiroo Oi
宏朗 尾井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve problem of a conventional spark-ignition internal combustion engine wherein when plasma is generated in the combustion chamber and an air-fuel mixture is ignited by a spark discharge between the plasma and an ignition plug, if spark discharge is made by applying a negative high voltage to the center electrode of the ignition plug, electrons tend to be diffused, and the density of the plasma is reduced.SOLUTION: In this spark-ignition internal combustion engine, the electric field generated in the combustion chamber is reacted with a spark discharge by an ignition plug to generate plasma for igniting an air-fuel mixture. The ignition plug 1 includes the center electrode 14 installed in a housing while being insulated and a grounding electrode 15 attached to the bottom end of the housing apart from the center electrode. The spark discharge is made by applying a positive high voltage with respect to the potential of the grounding electrode to the center electrode at each ignition timing.

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。   The present invention relates to a spark ignition internal combustion engine that reacts an electric field generated in a combustion chamber with a spark discharge by an ignition plug to generate plasma to ignite 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 Patent Document 1, in order to compensate for the spark discharge of the spark plug, and an arc is generated in the plasma atmosphere. It is known that the discharge is performed to surely ignite the air-fuel mixture in the combustion chamber without applying a higher voltage than in the past and to obtain a stable flame.

特開2007−32349号公報JP 2007-32349 A

ところで、大気圧下でプラズマを生成する方法として、マグネトロンを用いるものが考えられている。マグネトロンを用いて燃焼室内にプラズマを生成する場合、上述の特許文献1の補助電極のような、点火プラグ又はその周辺にマグネトロンからのマイクロ波を放射する電極つまりアンテナを設けるか、あるいは点火プラグの中心電極をアンテナとして使用することが考えられる。   By the way, as a method for generating plasma under atmospheric pressure, a method using a magnetron is considered. When plasma is generated in the combustion chamber using a magnetron, an electrode for radiating microwaves from a magnetron, that is, an antenna such as the auxiliary electrode of the above-mentioned Patent Document 1, or an antenna, or an antenna is provided around the spark plug. It is conceivable to use the center electrode as an antenna.

点火プラグは、一般的に、中心電極が円柱形あるいは針状形であるのに対して、接地電極は、例えば断面が方形の、中心電極に対向する面の幅や長さが中心電極の先端の面より大きいものである。そして、点火に際しては、接地電極を基準電位として、中心電極に負の高電圧を印加して火花放電を実施している。したがって、放電は、中心電極から電子が接地電極に対して放出されることにより起こる。   In general, a spark plug has a cylindrical or needle-shaped center electrode, whereas a ground electrode has a square cross section, for example, the width and length of the surface facing the center electrode is the tip of the center electrode. It is bigger than the surface. In ignition, spark discharge is performed by applying a negative high voltage to the center electrode with the ground electrode as a reference potential. Therefore, discharge occurs when electrons are emitted from the center electrode to the ground electrode.

ところが、このように電子が接地電極に向けて中心電極から放出されると、電子が拡散するために、上述した中心電極をマイクロ波のためのアンテナとしてプラズマを生成すると、プラズマの密度が低下する傾向にあり、それに伴って混合気への着火性能が低下する恐れが生じる。   However, when electrons are emitted from the center electrode toward the ground electrode in this way, the electrons diffuse, so that when plasma is generated using the above-described center electrode as an antenna for microwaves, the density of the plasma decreases. There is a tendency that the ignition performance of the air-fuel mixture is reduced accordingly.

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、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、点火プラグが、ハウジング内に絶縁されて取り付けられる中心電極と、中心電極から離れてハウジングの下端に設けられる接地電極とを備え、接地電極の電位を基準として点火時期毎に中心電極に正の高電圧を印加して火花放電を実施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 with a spark discharge by a spark plug, and ignites an air-fuel mixture. The plug includes a center electrode that is insulated and installed in the housing, and a ground electrode that is provided at the lower end of the housing apart from the center electrode. A positive high voltage is applied to the center electrode at each ignition timing with respect to the potential of the ground electrode. Is applied to perform spark discharge.

このような構成によれば、火花放電に際しては、中心電極が正の高電圧となるので、電子は接地電極から中心電極に向けて放出される。つまり、接地電極から放出された電子は、中心電極に集中するものとなる。この結果、火花放電と電界とを反応させてプラズマを生成する場合、プラズマを生成する位置の設定を容易になすことが可能になる。   According to such a configuration, at the time of spark discharge, since the center electrode becomes a positive high voltage, electrons are emitted from the ground electrode toward the center electrode. That is, electrons emitted from the ground electrode are concentrated on the center electrode. As a result, when the plasma is generated by reacting the spark discharge and the electric field, the position for generating the plasma can be easily set.

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。   As described above, the electric field generating means for generating an electric field includes an electromagnetic wave generator for generating electromagnetic waves of various frequencies, an AC voltage generator for applying an AC voltage to a pair of electrodes arranged in the combustion chamber, and a pair of electrodes. And a pulsating voltage generator for applying a pulsating voltage to the device.

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。   Examples of the electromagnetic waves generated by the electromagnetic wave generator include microwaves, high frequencies including frequencies used in various wireless communications such as amateur radio, and lasers having wavelengths shorter than those of microwaves. In the case of a laser, a laser oscillation device having a configuration different from that of other electromagnetic wave generation devices is used.

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。   The AC voltage output from the AC voltage generator has a frequency equal to the above-described high frequency.

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。   The pulsating voltage generator need only generate a DC voltage whose voltage periodically changes, and the waveform of the DC voltage may be arbitrary. That is, the pulsating voltage in the present application changes from a reference voltage including 0 volt to a pulse voltage that changes to a constant voltage at a constant cycle or a voltage that increases or decreases sequentially at a fixed cycle, for example, AC voltage is half-wave rectified. Such a DC voltage having such a waveform, and a DC voltage obtained by applying a DC bias to the AC are included. In this case, the fixed period may correspond to the frequency at the above-described high frequency. The waveform is not limited to that described above, and may be a sine wave, a sawtooth wave, a triangular wave, or the like.

本発明は、以上説明したような構成であり、火花放電に際しては、中心電極が正の高電圧となるので、電子は接地電極から中心電極に向けて放出され接地電極から放出された電子は、中心電極に集中するものとなることで、火花放電と電界とを反応させさせてプラズマを生成する場合、プラズマを生成する位置の設定を容易になすことができる。   The present invention is configured as described above, and at the time of spark discharge, since the central electrode becomes a positive high voltage, electrons are emitted from the ground electrode toward the central electrode, and the electrons emitted from the ground electrode are When the plasma is generated by causing the spark discharge and the electric field to react with each other, the position where the plasma is generated can be easily set.

本発明の一実施形態を適用するエンジンの要部を拡大して示す断面図。1 is an enlarged sectional view showing a main part of an engine to which an embodiment of the present invention is applied. 同実施形態の点火プラグを中心とする電気構成を示すブロック図。The block diagram which shows the electric structure centering on the ignition plug of the embodiment. 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。The block diagram which shows the structure of the electromagnetic wave generator which can be used in embodiment of this invention. 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。The block diagram which shows the structure of the alternating voltage generator which can be used in embodiment of this invention. 図5におけるHブリッジ回路の一例を示す回路図。FIG. 6 is a circuit diagram showing an example of an H bridge circuit in FIG. 5.

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、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。そして、燃焼室6の天井部分には、点火プラグ1が取り付けられてあり吸気ポート2には燃料室6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。なお、点火プラグ1を除くエンジン100それ自体は、この分野で知られている火花点火式のものを適用するものであってよい。   FIG. 1 shows an engine 100, which is a spark ignition type internal combustion engine, showing an enlarged mounting portion of a spark plug 1 in one cylinder, for example, of a three-cylinder double overhead camshaft (DOHC) type. 3 and the opening 5 of the exhaust port 4 are arranged opposite to each other centering on a spark plug 1 attached to substantially the center of the ceiling portion of the combustion chamber 6 and are opened at two locations per cylinder. That is, the engine 100 is attached to the cylinder block 7, and the camshafts 9 and 10 are attached to the intake side and the exhaust side of the cylinder head 8 forming the ceiling portion of the combustion chamber 6, respectively. The intake port 2 of the cylinder head 8 is opened and closed by an intake valve 11 that reciprocates when the camshaft 9 rotates, and the exhaust port 4 is opened and closed by an exhaust valve 12 that reciprocates when the camshaft 10 rotates. Is. An ignition plug 1 is attached to the ceiling portion of the combustion chamber 6, and a fuel injection valve for generating an air-fuel mixture supplied to the fuel chamber 6 is provided in the intake port 2. The engine 100 itself excluding the spark plug 1 may be a spark ignition type that is known in this field.

この実施例の点火プラグ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、ハウジング13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。絶縁碍子16は、中心電極14とエンジン100への取付部であるハウジング13とを絶縁するとともに、中心電極14と接続端子17との接続部材である中軸も絶縁するもので、ほぼ円筒形状をしている。   The spark plug 1 of this embodiment includes a housing 13 made of a conductive material, a center electrode 14 that is insulated and attached in the housing 13, and a ground electrode 15 that is provided at the lower end of the housing 13 apart from the center electrode 14. . That is, in the spark plug 1, the housing 13 supports the substantially cylindrical insulator 16, and the connection terminal 17 attached to the upper end of the insulator 16 is electrically connected by the center electrode 14 protruding from the lower end of the housing 13 and the center shaft (not shown). The ground electrode 15 is integrally provided on the housing 13 at a position that is connected to the housing 13 and extends from the lower end of the housing 13 to a position facing the lower end of the center electrode 14. The insulator 16 insulates the center electrode 14 and the housing 13 that is an attachment portion to the engine 100, and also insulates the central shaft that is a connecting member between the center electrode 14 and the connection terminal 17, and has a substantially cylindrical shape. ing.

ハウジング13は、絶縁碍子16を収容するのに十分な内部空間を備える円筒形状のもので、導電材料である、例えばステンレス製のものである。ハウジング13は、その上端部分が、絶縁碍子16を密着し気密性を維持するために内側に絞り込まれている。また、その長手方向の中央部から下側部分の外周には、シリンダヘッド8への取付のための雄ねじ部18が形成してある。加えて、雄ねじ部18と上端部分との間には、取り付ける場合に取付台座部となる主体金具19が、雄ねじ部18より大きな外径で形成してある。   The housing 13 has a cylindrical shape with an internal space sufficient to accommodate the insulator 16, and is made of, for example, stainless steel, which is a conductive material. The upper end portion of the housing 13 is squeezed inward in order to keep the insulator 16 in tight contact and maintain airtightness. Further, a male screw portion 18 for attachment to the cylinder head 8 is formed on the outer periphery of the lower portion from the central portion in the longitudinal direction. In addition, between the male screw part 18 and the upper end part, a metal shell 19 serving as a mounting base part when attached is formed with a larger outer diameter than the male screw part 18.

中心電極14は、例えば円柱状の金属材料にて形成されており、その下端が絶縁碍子16から露出するとともに、ハウジング13の下端から露出する。中心極14の先端はほぼ平坦な円形面で、接地電極15の上面とほぼ平行に対向している。   The center electrode 14 is formed of, for example, a cylindrical metal material, and the lower end thereof is exposed from the insulator 16 and is exposed from the lower end of the housing 13. The tip of the center pole 14 is a substantially flat circular surface and faces the upper surface of the ground electrode 15 substantially in parallel.

このような中心電極14に対して、接地電極15は、ハウジング13下端面に一体的に形成される側面視ほぼL字状のもので、その先端は、中心電極14の中心軸から間隙29をあけた位置まで延びている。接地電極15は、このように中心電極14に比較して長い上面を有しているので、その上面は中心電極14の先端より大面積の電子放出面となる。接地電極15は、このようにハウジング13に一体的に設けられているので、使用時にあってはハウジング13と同電位すなわち接地電位に維持される。   With respect to such a center electrode 14, the ground electrode 15 is substantially L-shaped in a side view formed integrally with the lower end surface of the housing 13, and the tip thereof has a gap 29 from the center axis of the center electrode 14. It extends to the open position. Since the ground electrode 15 has a long upper surface as compared with the center electrode 14 in this way, the upper surface becomes an electron emission surface having a larger area than the tip of the center electrode 14. Since the ground electrode 15 is integrally provided in the housing 13 as described above, the ground electrode 15 is maintained at the same potential as that of the housing 13, that is, at the ground potential in use.

このような点火プラグ1に対して、図2に示すように、イグナイタ20と点火コイル21とからなる点火装置22が混合器23を介して接続されるとともに、マグネトロン24及び制御回路25を備える電磁波発生装置であるマイクロ波発生装置26が混合器23を介して接続される。点火装置22は、エンジン100の運転を制御するための、図示しない電子制御装置から各点火時期において点火信号が入力されると、イグナイタ20により点火コイル21が励起されて、点火プラグ1の中心電極14に対して正の高電圧を印加する構成である。   As shown in FIG. 2, an ignition device 22 including an igniter 20 and an ignition coil 21 is connected to such a spark plug 1 via a mixer 23, and an electromagnetic wave including a magnetron 24 and a control circuit 25. A microwave generator 26 as a generator is connected via a mixer 23. When an ignition signal is input at each ignition timing from an electronic control device (not shown) for controlling the operation of the engine 100, the ignition device 22 excites the ignition coil 21 by the igniter 20, and the center electrode of the ignition plug 1 14 is configured to apply a positive high voltage.

マイクロ波発生装置26は、制御回路25が上述の電子制御装置からマイクロ波発生信号を受信すると、マグネトロン24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。マグネトロン24が出力するマイクロ波は、図示しない導波管及び同軸ケーブルを介して点火プラグ1の中心電極14に印加される。したがって、中心電極14及びマイクロ波発生装置26は、電界生成手段を構成するものである。   The microwave generator 26 controls the output timing and output power of the microwave output from the magnetron 24 when the control circuit 25 receives the microwave generation signal from the electronic control device. The microwave output from the magnetron 24 is applied to the center electrode 14 of the spark plug 1 via a waveguide and a coaxial cable (not shown). Therefore, the center electrode 14 and the microwave generator 26 constitute an electric field generating means.

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、火花放電開始とほぼ同時あるいは火花放電開始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。   At the time of ignition, spark discharge is generated in the spark plug 1 by an ignition coil (not shown), and an electric field is generated by microwaves almost simultaneously with the start of the spark discharge or immediately after the start of the spark discharge or immediately before the start of the spark discharge. In this configuration, the air-fuel mixture in the combustion chamber 6 is rapidly burned by generating plasma by reacting with an electric field. It should be noted that “immediately after the start of spark discharge” is preferably at the start of induction discharge constituting the spark discharge at the latest.

具体的には、点火プラグ1による火花放電が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。   Specifically, the spark discharge generated by the spark plug 1 becomes plasma in an electric field, and the flame nucleus at the beginning of flame propagation combustion is larger than ignition by only spark discharge by igniting the mixture with the plasma. In addition, combustion is promoted by generating a large amount of radicals in the combustion chamber 6.

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。   This is because the flow of electrons due to the spark discharge and the ions and radicals generated by the spark discharge are vibrated and meandered by the influence of the electric field, resulting in a longer path length and a dramatic increase in the number of collisions with surrounding water and nitrogen molecules. This is due to the 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 ignition region for the air-fuel mixture dramatically increases, and the flame kernel that starts the flame propagation combustion also increases.

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 plasma generated by the reaction between the spark discharge and the electric field, so that the ignition region is expanded and the two-dimensional ignition of only the spark plug 1 is changed to the three-dimensional ignition. Therefore, the initial combustion is stabilized, and the combustion rapidly propagates into the combustion chamber 6 as the radicals increase, and the combustion expands at a high combustion rate.

この場合に、点火プラグ1は、火花放電に際して、中心電極14が正の高電圧となるので、電子は接地電極15から中心電極14に向けて放出されるものである。この実施形態においては、接地電極15の中心電極14と対向する上面は、中心電極14の先端に比べて大面積であるので、中心電極14の中心軸直下以外の位置からも、電子が中心電極14に向けて放出される。そして、接地電極15の上面に比較して中心電極14の先端が小面積であるため、接地電極15から放出された電子は、中心電極14に集中し、その状態で火花放電が生じる。   In this case, the spark plug 1 emits electrons from the ground electrode 15 toward the center electrode 14 because the center electrode 14 becomes a positive high voltage during spark discharge. In this embodiment, since the upper surface of the ground electrode 15 facing the center electrode 14 has a larger area than the tip of the center electrode 14, electrons can be attracted from a position other than directly below the center axis of the center electrode 14. 14 is released. And since the front-end | tip of the center electrode 14 is small compared with the upper surface of the ground electrode 15, the electron discharge | released from the ground electrode 15 concentrates on the center electrode 14, and a spark discharge arises in the state.

この結果、火花放電と電界とを反応させてプラズマを発生させる場合、電界を生成する位置を点火プラグ1の中心電極14と接地電極15との間隙29にすると、電子が集中している位置に電界を生成することになるので、火花放電と電界との反応が促進されるとともに、プラズマは、点火プラグ1の中心電極14の先端と接地電極15との間の間隙29に安定して生成することができるものである。   As a result, when the plasma is generated by reacting the spark discharge and the electric field, if the position where the electric field is generated is the gap 29 between the center electrode 14 and the ground electrode 15 of the spark plug 1, the electron is concentrated at the position. Since an electric field is generated, the reaction between the spark discharge and the electric field is promoted, and plasma is stably generated in the gap 29 between the tip of the center electrode 14 of the spark plug 1 and the ground electrode 15. It is something that can be done.

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.

上述の実施形態にあっては、中心電極14の先端をほぼ平坦な円形面としたが、接地電極の一点に向かって針状に尖っているものであってもよい。   In the above-described embodiment, the tip of the center electrode 14 is a substantially flat circular surface, but it may be pointed like a needle toward one point of the ground electrode.

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。   In addition to the magnetron as described above, the microwave generator may be a traveling wave tube or the like, and may further include a semiconductor microwave oscillation circuit.

加えて、上述の実施形態においては、点火プラグ1の中心電極14をアンテナとしたが、ホーン型のアンテナや、モノポール型のアンテナであってもよい。その場合、アンテナは燃焼室内又は燃焼室内に臨む位置に設ける。   In addition, although the center electrode 14 of the spark plug 1 is an antenna in the above-described embodiment, a horn type antenna or a monopole type antenna may be used. In that case, the antenna is provided at a position facing the combustion chamber or the combustion chamber.

さらには、点火プラグ1の中心電極14をアンテナとして機能させて、高周波給電部とする場合、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。   Furthermore, when the center electrode 14 of the spark plug 1 is made to function as an antenna and is used as a high-frequency power feeding unit, if the high frequency is continuously applied to the center electrode at a constant voltage, the temperature of the center electrode excessively increases. The high frequency voltage is controlled so as to be lower than the upper limit temperature set based on the heat resistant temperature of the center electrode.

一方、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8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3に示すような構成のものが好適である。   On the other hand, the frequency of the electromagnetic wave in the electromagnetic wave generator is not limited to the microwave frequency band, and may be any frequency that can generate an electric field in the spark discharge portion of the spark plug 8 to generate plasma. Therefore, as the electromagnetic wave generator, one having a configuration as shown in FIG. 3 is suitable, for example.

図3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1の中心電極14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1の中心電極14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14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。   3 includes a transmitter 31 that oscillates an electromagnetic wave of, for example, 300 MHz, a matching tuner (or an antenna tuner) 33 that is connected to the output end of the transmitter 31 by a coaxial cable 32, and a matching tuner 33. A mixer 36 is connected to the output end by an unbalanced cable 34 and is also connected to an igniter 35. In this example, the center electrode 14 of the spark plug 1 functions as an antenna that radiates electromagnetic waves. Therefore, the mixer 36 transmits the electromagnetic waves output from the transmitter 31 via the matching tuner 33 to the spark plug 1. In addition to being applied to the center electrode 14, an ignition signal from the igniter 35 is applied to the center electrode 14. The mixer 36 mixes the electromagnetic wave from the transmitter 31 and the ignition signal from the igniter 35.

この例では、送信機31からの電磁波により、中心電極14と接地電極15との間に電界が生成される。生成された電界と、中心電極14と接地電極15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。   In this example, an electric field is generated between the center electrode 14 and the ground electrode 15 by electromagnetic waves from the transmitter 31. The generated electric field reacts with the spark discharge generated between the center electrode 14 and the ground electrode 15 to generate plasma and ignite the air-fuel mixture.

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。   Moreover, a laser oscillation apparatus is mentioned as an electromagnetic wave generator. As the laser oscillation device, a combination of a laser diode, a lens assembly including YAG (yttrium, aluminum, garnet) and a cylindrical lens can be used. The laser output from the laser oscillation device is sent to the combustion chamber via an optical fiber. In this case, the optical fiber passes through the inside of the spark plug housing, and its tip is attached toward the gap between the center electrode and the ground electrode. Prior to the spark discharge, the laser is preferably applied to a position where the spark discharge occurs.

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。   The laser emitted from the optical fiber concentrates in the gap and concentrates the electric field near the gap. Therefore, the electric field can be generated at a desired position due to the directivity of the laser, and the plasma can be generated at the most suitable position for ignition of the air-fuel mixture.

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4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5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。   Instead of the electromagnetic wave generator described above, an AC voltage generator may be used. The AC voltage generator 40 shown in FIG. 4 boosts the voltage of the vehicle battery 41, for example, about 12V (volts) to 300 to 500V by the DC-DC converter 42 which is a booster circuit, and then exemplifies in FIG. The frequency is changed to an alternating current having a frequency of about 1 MHz to 500 MHz, preferably 100 MHz by the H bridge circuit 43, and further boosted to about 4 kVp-p to 8 kVp-p by the step-up transformer 44.

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1の中心電極14と接地電極15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1との間にはミキサが配置される。そして、中心電極14と接地電極15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1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1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14と接地電極15とで構成するものの場合に、接地電極14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。   In such an AC voltage generator 40, for example, when the center electrode 14 and the ground electrode 15 of the spark plug 1 are used as a pair of electrodes for generating an electric field, the AC voltage is generated similarly to the electromagnetic wave generator 30 described above. A mixer is disposed between the step-up transformer 44, the igniter, and the spark plug 1 serving as the output end of the above. Then, by applying a high-voltage AC voltage between the center electrode 14 and the ground electrode 15, an electric field in which the polarity is alternately switched in the frequency band is generated in the gap of the spark plug 1 which is a discharge area. Accordingly, the generated electric field and spark discharge react to generate plasma around the spark plug 1 and ignite the air-fuel mixture. In the case where the pair of electrodes includes the center electrode 14 and the ground electrode 15, a cylinder head, a cylinder block, or a piston may be used instead of the ground electrode 14.

一対の電極は、上述した点火プラグ1の中心電極14と接地電極15とを使用する以外に、点火プラグ1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1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。   In addition to using the center electrode 14 and the ground electrode 15 of the spark plug 1 described above, the pair of electrodes may have a configuration in which electrodes are arranged at positions sandwiching the spark plug 1. That is, a pair of electrodes are arranged facing each other at a predetermined distance. In this case, the pair of electrodes are arranged so that the spark plug 1 is positioned between the electrodes. Also in this case, one of the electrodes may be replaced with a ground electrode, a cylinder head, a cylinder block, or a piston.

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。   Instead of such an AC voltage generator, a pulsating flow generator may be used. That is, instead of applying an alternating current between a pair of electrodes, an electric field is generated between the pair of electrodes by applying a pulsating voltage such as a pulse voltage. In the same way as the AC voltage generator, the pulsating flow generator converts the direct current supplied from the battery to DC? The voltage is boosted by a DC converter, and a pulsating flow is generated by intermittently applying a high-voltage direct current at a predetermined cycle. In the case of a pulsating flow generator, a switching circuit that is periodically turned on and off is used instead of the H-bridge circuit. By using such a pulsating flow generation circuit, an electric field can be generated between the pair of electrodes, and the same effect as in the above-described embodiment can be obtained.

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
13…ハウジング
14…中心電極
15…接地電極
20…イグナイタ
21…点火コイル
22…点火装置
24…マグネトロン
25…制御回路
26…高圧交流発生装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Spark plug 13 ... Housing 14 ... Center electrode 15 ... Ground electrode 20 ... Igniter 21 ... Ignition coil 22 ... Ignition device 24 ... Magnetron 25 ... Control circuit 26 ... High voltage alternating current generator

Claims (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、点火プラグが、ハウジング内に絶縁されて取り付けられる中心電極と、中心電極から離れてハウジングの下端に設けられる接地電極とを備え、接地電極の電位を基準として点火時期毎に中心電極に正の高電圧を印加して火花放電を実施する火花点火式内燃機関。   A spark ignition type internal combustion engine in which an electric field generated in a combustion chamber reacts with a spark discharge by an ignition plug to generate plasma to ignite an air-fuel mixture, wherein the ignition plug is insulated and installed in a housing. Spark ignition type comprising an electrode and a ground electrode provided at the lower end of the housing apart from the center electrode, and applying a positive high voltage to the center electrode at every ignition timing with reference to the potential of the ground electrode Internal combustion engine.
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