JP2014020292A - 内燃機関の点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】点火領域における燃焼室の共振周波数の変動を、従来よりも抑制する。
【解決手段】内燃機関の点火装置１０は、シリンダ２０内に設けられるとともに、混合気を燃焼させる燃焼室１２と、前記シリンダ２０内に配置されるとともに、前記燃焼によって前記シリンダ２０内を移動させられるピストン１４と、前記燃焼室１２に面するピストン１４の頂面２２に対向する前記燃焼室１２の天井面２４に設けられるとともに、前記燃焼室１２に電界を生じさせることにより、前記混合気を燃焼させる電界発生手段１６と、を備える。さらに、前記天井面２４は、面一でない面形状を有し、前記ピストン１４の頂面２２と、前記ピストン１４の移動方向に沿った前記天井面２４との離間距離が、全面に亘ってほぼ同一となるように、前記頂面２２が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の点火装置に関する。

従来から、内燃機関の燃焼室内に電界を生じさせることで、燃焼室の混合気を燃焼させる、内燃機関の点火装置が知られている。

例えば、特許文献１には、電界発生手段として、数ＧＨｚの周波数を有するマイクロ波放射器が開示されている。燃焼室内にマイクロ波を放射することで、燃焼室内に電界が生じる。このうち、高電界領域では、絶縁破壊による放電が生じる等の現象により、混合気が点火される。高電界領域を広範囲に生じさせることで、広域点火が可能となる。広域点火が可能となれば、所定の点火ポイントからの燃え拡がりを待たずに混合気を点火させることが可能となる。したがって、燃え拡がり難い希薄混合気等の点火を効率良く行うことができる。

燃焼室内に高電界領域を広範囲に生じさせるための手段として、例えば、特許文献２には、混合気の共振周波数と同一の周波数帯のマイクロ波を放射することが記載されている。

特開昭５７−１８６０６７号公報 特開２００７−１１３５７０号公報

ところで、燃焼室の共振周波数は、燃焼室の形状に応じて変化する。例えば、燃焼室内に設けられたピストンが往復移動すると、燃焼室の形状が変化して、燃焼室の共振周波数が変化する場合がある。図１４には、本願発明者らの試算による、ピストンの位置及びクランク角に応じた、燃焼室の共振周波数の変化を表すグラフが示されている。この試算に当たり、燃焼室の形状について、ピストンの頂面を平面とし、当該頂面に対向する燃焼室の天井面を、いわゆるペントルーフ形状とした。

図１４では、クランク角が０°のときを上死点とし、１８０°のときを下死点としている。この図に示されているように、混合気を点火させるのに適したクランク角の範囲である、上死点（クランク角＝０°）から±４５°の範囲で、燃焼室の共振周波数が著しく変動している。この変動幅は、従来のマイクロ波放射器が有している可変幅を大きく逸脱するおそれがある。そのような場合、従来のマイクロ波放射器を用いる際に、その発振周波数の可変幅を広く取るために、別途、変調幅の広い変調器等の付属機器を使用する必要がある。そこで、本発明は、燃焼室の共振周波数の変動を、従来と比べて抑制することの可能な、内燃機関の点火装置を提供することを目的とする。

本発明は、内燃機関の点火装置に関する。当該装置は、シリンダ内に設けられるとともに、混合気を燃焼させる燃焼室と、前記シリンダ内に配置されるとともに、前記燃焼によって前記シリンダ内を移動させられるピストンと、前記燃焼室に面するピストンの頂面に対向する前記燃焼室の天井面に設けられるとともに、前記燃焼室に電界を生じさせることにより、前記混合気を燃焼させる電界発生手段と、を備える。前記天井面は、面一でない面形状を有し、前記ピストンの頂面の、前記ピストンの移動方向に沿った前記天井面との離間距離が、全面に亘ってほぼ同一となるように形成されている。

また、上記発明において、前記ピストンに連結されるとともに、前記ピストンの移動に伴って回転するクランク機構を備え、前記ピストンの上死点からのクランク角が±４５°以内の範囲であるとき、任意のクランク角における、前記頂面と前記天井面との離間距離の最小値に対する最大値の比が、１．０以上１．２以下となるように、前記頂面が形成されていることが好適である。

また、上記発明において、前記ピストンの頂面は、前記移動方向に沿って延伸する前記ピストンの中心軸から周囲に行くほど前記ピストンの下死点側に向かって低くなるように形成されていることが好適である。

また、上記発明において、前記ピストンの頂面と、前記天井面との、前記移動方向に沿って対向する面同士の角度差が、１５°以下となるように、前記頂面が形成されていることが好適である。

また、上記発明において、前記頂面の外周側には、その周囲より窪んだリング状の溝が形成されていることが好適である。

また、上記発明において、前記頂面の外周側には、その周囲より突出したリング状の突出部が形成されていることが好適である。

また、上記発明において、前記ピストンの頂面には、前記移動方向に沿って延伸する前記ピストンの中心軸から前記ピストンの径の５０％以内の領域に、周囲より窪んだキャビティが形成されていることが好適である。

また、上記発明において、前記頂面及び前記天井面の、前記移動方向に沿って延伸する前記ピストンの中心軸に沿った断面形状は、非平行な２辺が繋がった三角屋根形状を有していることが好適である。さらに、前記天井面の前記２辺の交点と、前記頂面の前記２辺の交点は、前記ピストンの中心軸と直交する方向に、前記ピストンの直径の１／６以内の幅でオフセットされていることが好適である。

また、上記発明において、前記頂面及び前記天井面の、前記移動方向に沿って延伸する前記ピストンの中心軸に沿った断面形状は、非平行な２辺が繋がった三角屋根形状を有していることが好適である。さらに、前記頂面及び前記天井面の前記２辺の交点が、前記ピストンの中心軸に対してオフセットされていることが好適である。

また、本発明に係る内燃機関の点火装置は、シリンダ内に設けられるとともに、混合気を燃焼させる燃焼室と、前記シリンダ内に配置されるとともに、前記燃焼によって前記シリンダ内を移動させられるピストンと、前記燃焼室に面するピストンの頂面に対向する前記燃焼室の天井面に設けられるとともに、前記燃焼室に電界を生じさせることにより、前記混合気を燃焼させる電界発生手段と、を備える。前記天井面は、面一でない面形状を有し、前記ピストンの頂面と、前記天井面との、前記ピストンの移動方向に沿って対向する面同士が、全面に亘ってほぼ平行となるように形成されている。

また、本発明に係る内燃機関の点火装置は、シリンダ内に設けられるとともに、混合気を燃焼させる燃焼室と、前記シリンダ内に配置されるとともに、前記燃焼によって前記シリンダ内を移動させられるピストンと、前記燃焼室に面するピストンの頂面に対向する前記燃焼室の天井面に設けられるとともに、前記燃焼室に電界を生じさせることにより、前記混合気を燃焼させる電界発生手段と、を備える。前記天井面は、面一でない面形状を有し、前記ピストンの頂面には、前記ピストンの直径の５０％以内の直径を有する窪みが形成され、前記窪みを除いた領域における前記頂面と、前記天井面との、前記ピストンの移動方向に沿った離間距離が、ほぼ同一となるように、前記頂面が形成されている。

また、本発明に係る内燃機関の点火装置は、シリンダ内に設けられるとともに、混合気を燃焼させる燃焼室と、前記シリンダ内に配置されるとともに、前記燃焼によって前記シリンダ内を移動させられるピストンと、前記燃焼室に面するピストンの頂面に対向する前記燃焼室の天井面に設けられるとともに、前記燃焼室に電界を生じさせることにより、前記混合気を燃焼させる電界発生手段と、を備える。前記天井面は、面一でない面形状を有し、前記ピストンの頂面には、前記ピストンの直径の５０％以内の直径を有する窪みが形成され、前記ピストンの上死点からのクランク角が±４５°以内の範囲であるとき、任意のクランク角における、前記窪みを除いた領域における前記頂面と、前記天井面との、前記ピストンの移動方向に沿った離間距離の最小値に対する最大値の比が、１．０以上１．２以下となるように、前記頂面が形成されている。

また、本発明に係る内燃機関の点火装置は、シリンダ内に設けられるとともに、混合気を燃焼させる燃焼室と、前記シリンダ内に配置されるとともに、前記燃焼によって前記シリンダ内を移動させられるピストンと、前記燃焼室に面するピストンの頂面に対向する前記燃焼室の天井面に設けられるとともに、前記燃焼室に電界を生じさせることにより、前記混合気を燃焼させる電界発生手段と、を備える。前記天井面は、面一でない面形状を有し、前記ピストンの頂面には、前記ピストンの直径の５０％以内の直径を有する窪みが形成され、前記窪みを除いた領域における前記頂面と、前記天井面との、前記移動方向に沿って対向する面同士の角度差が、１５°以下となるように、前記頂面が形成されている。

本発明によれば、燃焼室の共振周波数の変動を、従来と比べて抑制することが可能となる。

本実施形態に係る内燃機関の点火装置の側断面図である。 共振周波数の変動を説明する図である。 離間距離と共振周波数の関係を説明する図である。 燃焼室の天井面と、ピストンの頂面との角度差に応じた共振周波数の変動幅を、燃焼室の天井面を構成する２辺の成す角度別に表わした図である。 本実施形態に係る内燃機関の点火装置の側断面図である。 ピストンの頂面に形成されたキャビティの径と共振周波数の関係を説明する図である。 燃焼室内の電界分布を示す模式図である。 ピストンの頂面に形成されたキャビティの深さと共振周波数の関係を説明する図である。 ピストンの外周に形成された溝または突出部と共振周波数の関係を説明する図である。 本実施形態に係る内燃機関の点火装置の側断面図である。 シリンダの内径と共振周波数との関係を説明する図である。 燃焼室の天井面に対するピストンの頂面のオフセット量と、共振周波数との関係を説明する図である。 ピストンの頂面及び燃焼室の天井面の、中心軸に対するオフセット量と、共振周波数との関係を説明する図である。 共振周波数の変動を説明する図である。

図１に、本実施の形態に係る内燃機関の点火装置１０を例示する。点火装置１０は、燃焼室１２、ピストン１４、及び電界発生手段１６を備えている。

燃焼室１２は、混合気を燃焼させるための空間を備え、内燃機関のシリンダ２０内に設けられている。燃焼室１２は、混合気や新気を引き込む吸気弁１８や、燃焼後の排気を排出する排気弁１９を備えてよい。

ピストン１４の頂面２２と対向する、燃焼室１２の天井面２４は、面一でない面形状であってよい。言い換えると、天井面２４の形状は、非一様な面形状であってよい。例えば、天井面２４は、いわゆるペントルーフ型であってよい。つまり、ピストン１４の移動方向に沿ったピストン１４の中心軸Ｃ０から周囲に行くほど、ピストン１４の下死点側に向かって低くなるように形成された形状であって、側断面が非平行な２つの斜面からなるような形状であってよい。また、半球型の内燃機関のような、側断面が半球の形状であってもよく、多球型の内燃機関のような、側断面が複数の半球から構成された形状であってもよい。

電界発生手段１６は、燃焼室１２内に電界を生じさせることにより、混合気を燃焼させる。電界発生手段１６は、例えば、マイクロ波放射器であってよい。具体的には、マイクロ波を放射可能な同軸アンテナであってよい。電界発生手段１６は、燃焼室１２の天井面２４に設けられていてよい。更に、電界発生手段１６は、天井面２４のうち、ピストン１４の中心軸Ｃ０上に設けられていてよい。

また、電界発生手段１６は、放射する電磁波の周波数を可変にする変調機能を備えていてもよい。例えば、汎用のマイクロ波放射器に備えられているような、放射するマイクロ波の周波数を０．１ＧＨｚ程度の範囲で変調可能な変調機能を備えていてもよい。

また、点火装置１０は、ピストン１４に連結されるクランク機構２６を備えてよい。クランク機構２６は、ピストン１４の往復移動に伴って回転可能となっている。以下では、ピストン１４の上死点におけるクランク角を０°とし、ピストン１４の下死点におけるクランク角を１８０°とする。

ピストン１４は、シリンダ２０内に配置される。ピストン１４は、燃焼室１２内の混合気の燃焼に伴って発生する燃焼圧力によって、図中の矢印で示すように、シリンダ２０内を往復移動させられる。また、燃焼室１２に面するピストン１４の頂面２２は、ピストン１４の移動方向に沿った、燃焼室１２の天井面２４との離間距離が、全面に亘ってほぼ同一となるように形成されている。言い換えると、ピストン１４の頂面２２と燃焼室１２の天井面２４との、ピストン１４の移動方向に沿って対向する面同士が、全面に亘ってほぼ平行となるように、ピストン１４の頂面が形成されている。

ピストン１４の頂面２２が上記のような形状を備えることで、燃焼室１２の共振周波数の変動が従来より抑制される。この原理について、図２、３を用いて説明する。なお、以下の図では、ピストン１４の直径とシリンダ２０の内径とが等しいものとして、それぞれの試算を行っている。

図２には、２種類の燃焼室１２が例示されている。一方の燃焼室１２は、天井面２４と頂面２２とが、全面に亘って離間距離が等しくなるように形成されており、他方の燃焼室１２は、離間距離の異なる領域を含んでいる。図２では、前者の例として、円柱型の燃焼室１２が示されている。この燃焼室１２では、一様な平面形状からなる天井面２４と、その天井面に平行となるように形成された、一様な平面形状からなる頂面２２が設けられている。このような形状を備えることから、燃焼室１２の中心部における離間距離ｄ１と、燃焼室１２の周縁における離間距離ｄ２とは等しくなる（ｄ１＝ｄ２）。

後者の例として、ペントルーフ型の燃焼室１２が示されている。この燃焼室１２では、側断面図が非平行な２辺からなる天井面２４に対して、頂面２２の形状は一様な平面となるように形成されている。したがって、燃焼室１２の中心部における離間距離ｄ１と、燃焼室１２の周縁における離間距離ｄ２とが異なっている（ｄ１≠ｄ２）。

ピストン１４の位置及びクランク角の変化に応じた、燃焼室１２の共振周波数の変動の様子が、燃焼室１２別に示されている。これによると、円柱型の燃焼室１２の共振周波数は、いずれのピストン位置及びクランク角においても、共振周波数は変化せずに一定値を保つ。一方、ペントルーフ型の燃焼室１２の共振周波数は、ピストン位置及びクランク角の変化に伴って、共振周波数が変動する。特に、混合気の点火タイミングとして好適な、クランク角が０°以上４５°以下の範囲（点火領域）において、共振周波数は０．３ＧＨｚ程度変動している。

次に、図３には、ペントルーフ型の燃焼室１２において、頂面２２の形状を種々変更させた場合の、それぞれの燃焼室１２の共振周波数の変動の様子が示されている。いずれの例も、天井面２４を構成する２辺の角度は１５０°とした。また、頂面２２の形状は、側断面図が２辺の組み合わせからなる形状とした。燃焼室Ａでは、頂面２２を構成する２辺の角度を、天井面２４と同様に１５０°としている。すなわち、燃焼室Ａでは、ピストン１４の移動方向に沿った、頂面２２と天井面２４との離間距離が、全面に亘って同一となっている。また、燃焼室Ｂ、Ｃ、及びＤでは、それぞれ、頂面２２を構成する２辺の角度を、１６５°、１８０°、１９０°に設定している。

燃焼室Ａ〜Ｄの共振周波数が、図３上段のグラフで示されている。塗り潰し丸プロット（●）は、上死点（クランク角＝０°）の共振周波数を示し、白抜き丸プロット（○）はクランク角＝４５°の共振周波数を示している。つまり、このグラフには、混合気の点火タイミングとして好適な、クランク角が−４５°以上４５°以下の範囲における、共振周波数の変動が示されている。

図３のグラフに示されているように、離間距離の最大値と最小値の差が拡がるほど、共振周波数の変動が大きくなる。このグラフに基づき、共振周波数の変動が許容範囲に収まるように、頂面２２を形成することが好適である。上述したように、汎用のマイクロ波放射器に設けられている周波数の変調機能の標準的な可変幅は、０．１ＧＨｚである。一方、共振周波数の変動幅が０．１ＧＨｚとなるのは、燃焼室Ｂである。このことから、離間距離の最大値と最小値との差が、燃焼室Ｂにおける離間距離の最大値と最小値との差以下となるように、頂面２２を形成することが好適である。具体的には、ピストン１４の上死点からのクランク角が±４５°以内の範囲であるとき、任意のクランク角における、頂面２２と天井面２４との離間距離の最小値に対する最大値の比が、１．０以上１．２以下となるように、頂面２２が形成されていることが好適である。または、頂面２２と天井面２４との、ピストン１４の移動方向に沿って対向する面同士の成す角が、全面に亘って、１５°以下となるように、頂面２２を形成することが好適である。

例えば、ペントルーフ型の燃焼室１２のように、天井面２４が、ピストン１４の移動方向に沿ったピストン１４の中心軸Ｃ０から周囲に行くほど、ピストン１４の下死点側に向かって低くなるように、側断面が２つの斜辺により形成されている場合は、頂面２２も同様の形状とすることが好適である。その際、天井面２４と頂面２２の、ピストン１４の移動方向に沿って対向する面の角度差が、１５°以下であることが好適である。

なお、図３の例では、天井面２４を構成する２辺の角度を１５０°としたが、その他の角度であっても、共振周波数の変動幅を０．１ＧＨｚ以内に抑える条件は、上記と同様である。図４には、天井面２４の２辺の角度を変化させた場合の、共振周波数の変動幅の試算結果が示されている。横軸は、頂面２２と天井面２４との、ピストン１４の移動方向に沿って対向する面同士の角度差を示している。また、縦軸は、ピストン１４の上死点からのクランク角が±４５°以内の範囲であるときの、共振周波数の最大値と最小値の差を示している。また、菱形プロット（◆）は、天井面２４の２辺の角度が１５０°である場合を示し、四角プロット（■）は、天井面２４の２辺の角度が１６５°である場合を示し、三角プロット（▲）は、天井面２４の２辺の角度が１８０°である場合を示している。

いずれの例においても、共振周波数の最小値と最大値の差が０．１ＧＨｚ以内に収まるのは、ピストン１４の移動方向に沿って対向する、頂面２２と天井面２４との面同士の角度差が１５°以内のときである。この試算結果からわかるように、天井面２４の角度によらず、天井面２４と頂面２２の、ピストン１４の移動方向に沿って対向する面の角度差を１５°以下とすること、または、ピストン１４の上死点からのクランク角が±４５°以内の範囲であるとき、任意のクランク角における、頂面２２と天井面２４との離間距離の最小値に対する最大値の比を、１．０以上１．２以下とすることで、共振周波数の変動幅を０．１ＧＨｚ以内に抑えることができる。

また、図２、３により、頂面２２と天井面２４との離間距離の最小値に対する最大値の比が、１．０以上１．２以下となるように、または頂面２２と天井面２４との対向面の角度差を１５°以内となるように、頂面２２が形成されていれば、共振周波数の変動幅は、０．１ＧＨｚの範囲内に収まる。この、離間距離や角度差に関する条件を満たす範囲内で、頂面２２の形状を種々変形してもよい。また、共振周波数の変動に大きな影響を与えない範囲で、頂面２２の形状を変形させてもよい。例えば、図５に示すように、頂面２２の、中心軸Ｃ０の周りに、その周囲より窪んだキャビティ３０を形成してもよい。

図６には、キャビティ３０の直径を種々変更させた場合の、それぞれの燃焼室１２の共振周波数が示されている。ここで、いずれの燃焼室１２についても、ピストン１４の直径は９０ｍｍとした。また、いずれの例も、天井面２４を構成する２辺の角度は１５０°とした。また、頂面２２の側断面形状は、２辺の組み合わせからなる形状にキャビティ３０を設けたものとし、その２辺の角度は、天井面２４と同様に１５０°とした。

燃焼室Ｅでは、頂面２２にキャビティ３０が形成されていない。また、燃焼室Ｆでは、頂面２２に、直径が、ピストン１４の直径の１／３（φ＝３０ｍｍ）となるキャビティ３０が形成されている。また、燃焼室Ｇでは、直径が、ピストン１４の直径の２／３（φ＝６０ｍｍ）であるキャビティ３０が形成されている。また、燃焼室Ｈでは、直径が、ピストン１４の直径と等しい（φ＝９０ｍｍ）キャビティ３０が形成されている。

燃焼室Ｅ〜Ｈの共振周波数を、図６上段のグラフに示す。塗り潰し菱形プロット（◆）は、上死点（クランク角＝０°）の共振周波数を示し、塗り潰し四角プロット（■）はクランク角＝４５°の共振周波数を示している。

グラフに示されているように、キャビティ３０の直径が拡がるほど、クランク角が０°以上４５°以下の範囲において、共振周波数の変動が大きくなる。グラフに示されているように、共振周波数の変動幅が０．１ＧＨｚとなるのは、キャビティ３０の直径が、ピストン１４の直径の５０％となるときである。このことから、キャビティ３０は、ピストン１４の中心軸Ｃ０からピストン１４の径の５０％以内の領域に設けることが好適である。

図６に示されているように、キャビティ３０の底面は燃焼室１２の天井面２４とは非平行になっている。それにも関わらず、キャビティ３０の径が、ピストン１４の直径の５０％以内であるときは、燃焼室１２の共振周波数の変動幅は０．１ＧＨｚ以内に収まっている。この理由について、図７を用いて説明する。図７には、燃焼室Ｅ〜Ｈの電界分布が示されている。燃焼室内に掛けられたハッチングは、相対的な電界強度を示すものであり、パターンが密であるほど高電界であることを示している。

燃焼室Ｆ〜Ｈのうち、キャビティ３０の径が最も小さい燃焼室Ｆは、高電界領域がキャビティ３０の内部まで達していない。これに対して、キャビティ３０の径がピストン１４の直径の５０％より大きい、燃焼室Ｇ、Ｈでは、キャビティ３０内まで高電界領域が形成されている。このことから、キャビティ３０の径が大きくなるほど、キャビティ３０内に高電界領域が形成され易くなる。これは、電界発生手段１６が照射するマイクロ波の波長に対してキャビティ３０の径が小さいと、キャビティ３０内にマイクロ波が伝播しにくくなることが原因と考えられる。

図７の電界分布と、図６のグラフから、キャビティ３０内に高電界領域が形成されないうちは、キャビティ３０の底面形状が、燃焼室１２の共振周波数の変動に及ぼす影響は小さいものと考えられる。このことから、共振周波数の変動を考慮する上で、キャビティ３０の径が小さい間は、キャビティ３０を無視しても構わない。つまり、キャビティ３０の底面形状をどのような形状としても構わない。これを言い換えると、キャビティ３０の径が小さい間は、キャビティ３０以外のピストン１４の頂面２２と燃焼室１２の天井面２４の、ピストン１４の移動方向に沿って対向する面の角度差を１５°以下とすることで、共振周波数の変動幅を０．１ＧＨｚ以内に抑えることができる。または、ピストン１４の上死点からのクランク角が±４５°以内の範囲であるとき、キャビティ３０以外のピストン１４の頂面２２と燃焼室１２の天井面２４との離間距離がほぼ同一、つまり、任意のクランク角における、キャビティ３０以外のピストン１４の頂面２２と天井面２４との離間距離の最小値に対する最大値の比を、１．０以上１．２以下とすることで、共振周波数の変動幅を０．１ＧＨｚ以内に抑えることができる。なお、キャビティ３０の径が小さい間とは、図６のグラフより、その直径がピストン１４の径の５０％以内であるときであってよい。また、キャビティ３０の中心は、電界発生手段１６の中心を通り、ピストン１４の移動方向に沿って延伸する中心軸上に設けられていてよい。

なお、上記の説明では、ピストン１４の頂面２２上に設けられたキャビティ３０について説明したが、この形態に限らない。キャビティ３０は燃焼室１２内に導入された混合気の流れを形成するためのものであるが、それ以外の用途の、頂面２２に設けられた窪みが設けられている場合であっても、その径がピストン１４の径の５０％以内であるときは、窪みの底面形状を、燃焼室１２の天井面２４とは平行にしなくてもよい。

また、図８には、キャビティ３０の深さを種々変更させた場合の、それぞれの燃焼室１２の共振周波数が示されている。ここで、いずれの燃焼室１２についても、ピストン１４の直径は９０ｍｍとした。また、キャビティ３０の直径は、燃焼室Ｉを除いて、いずれも３０ｍｍとした。いずれの例も、天井面２４を構成する２辺の角度は１５０°とした。また、頂面２２の側断面形状は、２辺の組み合わせからなる形状にキャビティ３０を設けたものとし、その２辺の角度は、天井面２４と同様に１５０°とした。

燃焼室Ｉでは、頂面２２にキャビティ３０が形成されていない。また、燃焼室Ｊでは、頂面２２に、深さ４ｍｍのキャビティ３０が形成されている。また、燃焼室Ｋでは、頂面２２に、深さ７．５ｍｍのキャビティ３０が形成されている。また、燃焼室Ｌでは、頂面２２に、深さ１２ｍｍのキャビティ３０が形成されている。

燃焼室Ｉ〜Ｌの共振周波数を、図８上段のグラフに示す。図６と同様に、塗り潰し菱形プロット（◆）は、上死点（クランク角＝０°）の共振周波数を示し、塗り潰し四角プロット（■）はクランク角＝４５°の共振周波数を示している。このグラフに示されているように、キャビティ３０が深くなるほど、クランク角が０°以上４５°以下の範囲において、共振周波数の変動が大きくなる。一方、例示した中で最もキャビティ３０が深い燃焼室Ｌにおける、共振周波数の差は０．１ＧＨｚ以内に収まっている。このことから、キャビティ３０の深さは、少なくとも、例示した中で最もキャビティ３０が深い、１２ｍｍ以下であればよい。

また、頂面２２の中心部にキャビティ３０を設ける代わりに、図９に示すように、頂面２２の外周側に、その周囲より窪んだリング状の溝３２を形成してもよい。あるいは、頂面２２の外周側に、その周囲より突出したリング状の突出部３４を形成してもよい。

図９には、頂面２２の外周形状を種々変更させた場合の、それぞれの燃焼室１２の共振周波数が示されている。ここで、いずれの例も、天井面２４を構成する２辺の角度は１５０°とした。また、頂面２２の側断面形状は、天井面２４と同様に、２辺の組み合わせからなる形状とし、その２辺の角度は１５０°とした。

燃焼室Ｍでは、直径９０ｍｍのピストン１４に対して、内径７０ｍｍ、外径９０ｍｍのリング状の溝３２が形成されている。また、燃焼室Ｎでは、頂面２２には溝３２も突出部３４も形成されていない。また、燃焼室Ｏでは、直径９０ｍｍのピストン１４に対して、内径７０ｍｍ、外径９０ｍｍのリング状の突出部３４が、頂面２２に形成されている。

燃焼室Ｍ〜Ｏの共振周波数を、図９上段のグラフに示す。塗り潰し丸プロット（●）は、上死点（クランク角＝０°）の共振周波数を示し、塗り潰し四角プロット（■）はクランク角＝４５°の共振周波数を示している。また、グラフ横軸のφ７０凹は、燃焼室Ｍに相当し、φ９０は、燃焼室Ｎに相当し、φ７０凸は、燃焼室Ｏに相当する。

このグラフに示されているように、いずれの例においても、クランク角が０°以上４５°以下の範囲において、共振周波数の変動は０．１ＧＨｚに収まっている。また、溝３２を設けることで、共振周波数が下がり、突出部３４を設けることで、共振周波数が上がる。このことから、燃焼室１２の共振周波数を所望の帯域に収めるために、溝３２及び突出部３４を設けてもよい。例えば、汎用の電子レンジにて使用されるマイクロ波発振器の周波数は、２．４５ＧＨｚとなるように設定されている。したがって、クランク角０°以上４５°以下の範囲における、燃焼室１２の共振周波数が、２．４５ＧＨｚを含むようにすれば、汎用のマイクロ波発振器を本実施形態の電界発生手段１６として使用することができる。

また、図５〜９では、キャビティ３０、溝３２、突出部３４のいずれかひとつのみを備えた頂面２２が例示されていたが、この形態に限られない。例えば、図１０に示すように、頂面２２に、キャビティ３０と溝３２の両方を形成してもよい。図１０では、ピストン１４の直径を９０ｍｍとし、キャビティ３０の径を３０ｍｍとし、溝３２の内径を７６ｍｍ、外径を９０ｍｍとしている。試算の結果、この燃焼室１２の、クランク角が０°以上４５°以下の範囲において、共振周波数が２．４５ＧＨｚとなることが導き出された。

なお、共振周波数の増減は、シリンダ２０の内径を変更することでも行うことができる。図１１のグラフには、シリンダ２０の内径に応じた、燃焼室１２の共振周波数の変化が示されている。このグラフに示されているように、シリンダ２０の内径が小さくなるほど、共振周波数は高くなる。グラフ中の破線は、シリンダ２０の内径が９０ｍｍであるとき、共振周波数が２．４５ＧＨｚとなることを示すものである。このように、シリンダ２０の内径を調整することで、燃焼室１２の共振周波数を変更することができる。

また、頂面２２と天井面２４との離間距離の最小値に対する最大値の比が、１．０以上１．２以下となるように、頂面２２が形成されていれば、天井面２４と頂面２２をオフセットさせてもよい。図１２には、天井面２４に対して、頂面２２を、ピストン１４の中心軸Ｃ０とは直交する方向にオフセットさせたときの、燃焼室１２の共振周波数の変動の様子が示されている。ここで、いずれの例も、天井面２４は、ピストン１４の中心軸Ｃ０に沿った断面形状が、非平行な２辺が繋がった三角屋根形状となるように形成されている。この２辺の角度は１５０°とした。また、天井面２４の２辺の交点を、ピストン１４の中心軸Ｃ０上に設けた。また、頂面２２の形状は、天井面２４と同様に、ピストン１４の中心軸Ｃ０に沿った断面形状が、非平行な２辺が繋がった三角屋根形状とし、その２辺の角度は１５０°とした。また、ピストン１４の直径（＝シリンダ２０内径）は、９０ｍｍとした。

燃焼室Ｐでは、天井面２４と頂面２２とのオフセット量、つまり、天井面２４の２辺の交点に対する、頂面２２の交点のずれ量を０にしている。また、燃焼室Ｑでは、天井面２４に対して、ピストン１４の中心軸Ｃ０に直交する方向に、頂面２２を１０ｍｍオフセットさせている。また、燃焼室Ｒでは、天井面２４に対して、頂面２２を２０ｍｍオフセットさせている。また、燃焼室Ｓでは、天井面２４に対して、頂面２２を３０ｍｍオフセットさせている。

燃焼室Ｐ〜Ｓの共振周波数を、図１２上段のグラフに示す。図６、８と同様に、塗り潰し菱形プロット（◆）は、上死点（クランク角＝０°）の共振周波数を示し、塗り潰し四角プロット（■）はクランク角＝４５°の共振周波数を示している。

オフセット量が増加するほど、頂面２２と天井面２４との、ピストン１４の中心軸Ｃ０に沿って対向する面の離間距離の最小値と最大値との差が拡大することから、オフセット量の増加に伴って、共振周波数の差が拡がっていく。このうち、共振周波数の差が０．１ＧＨｚとなるのは、オフセット量が１５ｍｍとなるときである。したがって、オフセット量は、ピストン１４の直径の１／６以下とすることが好適である。

また、図１３に示すように、頂面２２及び天井面２４の、ピストン１４の中心軸Ｃ０に沿った断面形状が、非平行な２辺が繋がった三角屋根形状を有する場合に、頂面２２の、２辺の交点と、天井面２４の、２辺の交点を、ピストン１４の中心軸Ｃ０からオフセットさせてもよい。ここで、頂面２２及び天井面の２辺の成す角は、ともに１５０°であってよい。燃焼室Ｔ〜Ｗは、それぞれ、オフセット量を０ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍに設定している。また、ピストン１４の直径を９０ｍｍとしている。燃焼室Ｔ〜Ｗの共振周波数を、図１３上段のグラフに示す。このグラフに示されているように、共振周波数の差が０．１ＧＨｚとなるのは、オフセット量が３０ｍｍとなるときである。したがって、オフセット量は、ピストン１４の直径の１／３以下とすることが好適である。

１０ 点火装置、１２ 燃焼室、１４ ピストン、１６ 電界発生手段、１８ 吸気弁、１９ 排気弁、２０ シリンダ、２２ ピストンの頂面、２４ 燃焼室の天井面、２６ クランク機構、３０ キャビティ、３２ 溝、３４ 突出部。

Claims (13)

1. シリンダ内に設けられるとともに、混合気を燃焼させる燃焼室と、
   前記シリンダ内に配置されるとともに、前記燃焼によって前記シリンダ内を移動させられるピストンと、
   前記燃焼室に面するピストンの頂面に対向する前記燃焼室の天井面に設けられるとともに、前記燃焼室に電界を生じさせることにより、前記混合気を燃焼させる電界発生手段と、
   を備え、
   前記天井面は、面一でない面形状を有し、
   前記ピストンの頂面と、前記ピストンの移動方向に沿った前記天井面との離間距離が、全面に亘ってほぼ同一となるように、前記頂面が形成されていることを特徴とする、内燃機関の点火装置。
2. 請求項１記載の内燃機関の点火装置であって、
   前記ピストンに連結されるとともに、前記ピストンの移動に伴って回転するクランク機構を備え、
   前記ピストンの上死点からのクランク角が±４５°以内の範囲であるとき、任意のクランク角における、前記頂面と前記天井面との離間距離の最小値に対する最大値の比が、１．０以上１．２以下となるように、前記頂面が形成されていることを特徴とする、内燃機関の点火装置。
3. 請求項１または２に記載の内燃機関の点火装置であって、
   前記ピストンの頂面は、前記移動方向に沿って延伸する前記ピストンの中心軸から周囲に行くほど前記ピストンの下死点側に向かって低くなるように形成されていることを特徴とする、内燃機関の点火装置。
4. 請求項１に記載の内燃機関の点火装置であって、
   前記ピストンの頂面と、前記天井面との、前記移動方向に沿って対向する面同士の角度差が、１５°以下となるように、前記頂面が形成されていることを特徴とする、内燃機関の点火装置。
5. 請求項１、２または４に記載の内燃機関の点火装置であって、
   前記頂面の外周側には、その周囲より窪んだリング状の溝が形成されていることを特徴とする、内燃機関の点火装置。
6. 請求項１、２または４に記載の内燃機関の点火装置であって、
   前記頂面の外周側には、その周囲より突出したリング状の突出部が形成されていることを特徴とする、内燃機関の点火装置。
7. 請求項１、２または４に記載の内燃機関の点火装置であって、
   前記ピストンの頂面には、前記移動方向に沿って延伸する前記ピストンの中心軸から前記ピストンの径の５０％以内の領域に、周囲より窪んだキャビティが形成されていることを特徴とする、内燃機関の点火装置。
8. 請求項１、２または４に記載の内燃機関の点火装置であって、
   前記頂面及び前記天井面の、前記移動方向に沿って延伸する前記ピストンの中心軸に沿った断面形状は、非平行な２辺が繋がった三角屋根形状を有し、前記天井面の前記２辺の交点と、前記頂面の前記２辺の交点は、前記ピストンの中心軸と直交する方向に、前記ピストンの直径の１／６以内の幅でオフセットされていることを特徴とする、内燃機関の点火装置。
9. 請求項１、２または４に記載の内燃機関の点火装置であって、
   前記頂面及び前記天井面の、前記移動方向に沿って延伸する前記ピストンの中心軸に沿った断面形状は、非平行な２辺が繋がった三角屋根形状を有し、前記頂面及び前記天井面の前記２辺の交点が、前記ピストンの中心軸に対してオフセットされていることを特徴とする、内燃機関の点火装置。
10. シリンダ内に設けられるとともに、混合気を燃焼させる燃焼室と、
    前記シリンダ内に配置されるとともに、前記燃焼によって前記シリンダ内を移動させられるピストンと、
    前記燃焼室に面するピストンの頂面に対向する前記燃焼室の天井面に設けられるとともに、前記燃焼室に電界を生じさせることにより、前記混合気を燃焼させる電界発生手段と、
    を備え、
    前記天井面は、面一でない面形状を有し、
    前記ピストンの頂面と、前記天井面との、前記ピストンの移動方向に沿って対向する面同士が、全面に亘ってほぼ平行となるように形成されていることを特徴とする、内燃機関の点火装置。
11. シリンダ内に設けられるとともに、混合気を燃焼させる燃焼室と、
    前記シリンダ内に配置されるとともに、前記燃焼によって前記シリンダ内を移動させられるピストンと、
    前記燃焼室に面するピストンの頂面に対向する前記燃焼室の天井面に設けられるとともに、前記燃焼室に電界を生じさせることにより、前記混合気を燃焼させる電界発生手段と、
    を備え、
    前記天井面は、面一でない面形状を有し、
    前記ピストンの頂面には、前記ピストンの直径の５０％以内の直径を有する窪みが形成され、
    前記窪みを除いた領域における前記頂面と、前記天井面との、前記ピストンの移動方向に沿った離間距離が、ほぼ同一となるように、前記頂面が形成されていることを特徴とする、内燃機関の点火装置。
12. シリンダ内に設けられるとともに、混合気を燃焼させる燃焼室と、
    前記シリンダ内に配置されるとともに、前記燃焼によって前記シリンダ内を移動させられるピストンと、
    前記燃焼室に面するピストンの頂面に対向する前記燃焼室の天井面に設けられるとともに、前記燃焼室に電界を生じさせることにより、前記混合気を燃焼させる電界発生手段と、
    を備え、
    前記天井面は、面一でない面形状を有し、
    前記ピストンの頂面には、前記ピストンの直径の５０％以内の直径を有する窪みが形成され、
    前記ピストンの上死点からのクランク角が±４５°以内の範囲であるとき、任意のクランク角における、前記窪みを除いた領域における前記頂面と、前記天井面との、前記ピストンの移動方向に沿った離間距離の最小値に対する最大値の比が、１．０以上１．２以下となるように、前記頂面が形成されていることを特徴とする、内燃機関の点火装置。
13. シリンダ内に設けられるとともに、混合気を燃焼させる燃焼室と、
    前記シリンダ内に配置されるとともに、前記燃焼によって前記シリンダ内を移動させられるピストンと、
    前記燃焼室に面するピストンの頂面に対向する前記燃焼室の天井面に設けられるとともに、前記燃焼室に電界を生じさせることにより、前記混合気を燃焼させる電界発生手段と、
    を備え、
    前記天井面は、面一でない面形状を有し、
    前記ピストンの頂面には、前記ピストンの直径の５０％以内の直径を有する窪みが形成され、
    前記窪みを除いた領域における前記頂面と、前記天井面との、前記移動方向に沿って対向する面同士の角度差が、１５°以下となるように、前記頂面が形成されていることを特徴とする、内燃機関の点火装置。

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