JP4876217B2 - 点火装置、内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、レシプロエンジン、ロータリーエンジン、ジェットエンジンやガスタービンなどの熱機関またはプラズマ装置において用いられる点火装置に関する。

また、本発明は、前記本発明に係る点火装置を適用するに好適な内燃機関に関する。

従来、レシプロエンジンやロータリーエンジンなどの内燃機関における混合気の点火は、火花放電を行う点火プラグを用いて行われている。しかし、火花放電によって発生する電磁ノイズが車両に搭載されている電子機器の誤動作の原因となることなどから、火花放電によらず、数ギガヘルツ（ＧHz）の周波数を有する電磁波、すなわち、マイクロ波を用いて点火する点火装置が従来より提案されている。

例えば、特許文献１乃至特許文献４には、燃焼・反応室（シリンダ内）にマイクロ波導波管を連結するとともに、この燃焼・反応室内にマイクロ波放電のための放電電極を設けて構成した点火装置が記載されている。

この点火装置においては、マイクロ波発生装置（マグネトロン）により発生されたマイクロ波パルスをマイクロ波導波管を介して燃焼・反応室内に伝送させ、放電電極においてマイクロ波コロナ放電を生じさせて、燃焼・反応室内の混合気に点火するようにしている。

また、例えば、特許文献５には、燃焼・反応室（シリンダ内）に高周波電界発生装置（マグネトロン）を設け、機関の圧縮行程中に該高周波電界発生装置により燃焼室内に高周波電場を形成し、該燃焼室内の混合気を誘電加熱して着火燃焼するようにしたガソリン内燃機関が記載されている。

また従来、環境対策技術分野で用いられているプラズマ装置は、低圧力下で放電により発生したプラズマへの入力エネルギーを高めて、高温の平衡プラズマを生成し、その熱で有害排出物、化学物質、浮遊粒子状物質、スス等を高温状態に加熱して、酸化・分解しているものがほとんどであった。

近年、大気圧・非平衡のプラズマをマイクロ波放電して発生させる手法（同軸共振器型プラズマ生成）が研究されている。発生するプラズマの電子温度は数万度、ガス温度は常温乃至１０００°Ｃの反応性プラズマである。また、プラズマによって生成されたＯＨラジカルやＯ３（オゾン）等の強い化学反応作用を利用して医療・衛生分野での減菌・殺菌・消臭用プラズマ装置の開発もなされている（イノベーションジャパン２００５年；http://ccr.ccr.tokushima-u.ac.jp/topic/050927-01.pdf）。

マイクロ波を用いたプラズマ装置としては、大気圧に近いガスをマイクロ波で励起させプラズマガスを発生するものであった。

例えば、特許文献６及び特許文献７には、マイクロ波プラズマ装置が記載されている。このマイクロ波プラズマ装置においては、中心導体の中心にそってガス流路用の非金属パイプを配置しており、一方端から注入されたガスが中心導体で覆われていないギャップでマイクロ波により励起され他方端からプラズマ化して放出（同軸共振器型プラズマ生成）するようにしている。

特開昭５７−１８６０６７号公報 特開平３−３１５７９号公報 特開２０００−２３０４２６公報 特開２００１−７３９２０公報 特開２０００−２７４２４９公報 特開２００１−０３５６９２公報 特開２００４−１７２０４４公報

ところで、近年においては、レシプロエンジン、ロータリーエンジン、ジェットエンジンやガスタービンなどの熱機関またはプラズマ装置においては、燃費消費率の改善が望まれている。燃費消費率の改善を図るためには、混合気中の燃料の割合を下げて薄い混合気を燃焼・反応させることが考えられる。しかしながら、従来の内燃機関等において混合気中の燃料の割合を下げると、サイクル変動が生ずるなど、燃焼・反応の安定性が損なわれ、出力低下等の問題が生ずる。

したがって、熱機関またはプラズマ装置において燃費消費率の改善を図るためには、混合気中の燃料の割合を下げて薄い混合気を燃焼・反応させる場合においても、安定、かつ、高効率の燃焼・反応が行えるようにする必要がある。

そして、前述のようなマイクロ波コロナ放電を用いた点火装置は、従来の火花放電を用いる点火方式に比較して、燃費消費率の改善や燃焼・反応の安定性が望めるわけではないため、ほとんど実用化されていない現状にある。

また、前述のような高周波電界発生装置を用いたガソリン内燃機関は、エンジンに直接マグネトロンを取り付けることによる、耐久性、耐振動、取り付けスペースに対する制約、雰囲気温度（エンジンが高温となる）、電磁波の漏れによる制御系の誤動作防止などさまざまな支障が生じるため、ほとんど実用化されていない。

そこで、本発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、レシプロエンジン、ロータリーエンジン、ジェットエンジンやガスタービンなどの熱機関またはプラズマ装置において、混合気中の燃料の割合を下げて薄い混合気を燃焼・反応させる場合においても、安定、かつ、高効率の燃焼・反応が行えるようにして、出力の向上、排気ガスの清浄化、燃費消費率の改善を図ることができる点火装置を提供しようとするものである。

さらにガソリン内燃機関において、エンジンに直接マグネトロンを取り付けることによる、耐久性、耐振動、取り付けスペースに対する制約、雰囲気温度（エンジンが高温となる）、電磁波の漏れによる制御系の誤動作防止などさまざまな支障を解決することができる内燃機関を提供しようとするものである。

また、本発明は、前述のような本発明に係る点火装置を適用するに好適な内燃機関を提供しようとするものである。

前述の課題を解決し、前記目的を達成するため、本発明に係る点火装置は、以下の構成のいずれか一を有するものである。

〔構成１〕
熱機関またはプラズマ装置において反応性ガスと酸化ガスとの混合気が存在しこの混合気の燃焼・反応、または、プラズマ反応が行われる燃焼・反応領域に対し、水及び／又は該燃焼・反応領域において生成された排気ガスを導入し、該燃焼・反応領域内における混合気の誘電率を制御する誘電率制御手段と、前記燃焼・反応領域内にマイクロ波を放射し、該燃焼・反応領域における混合気の温度を上昇させるとともに、該燃焼・反応領域でプラズマ放電をさせラジカル濃度を上昇させて火炎着火特性の向上及び火炎伝播速度の促進を図るマイクロ波放射手段と、前記燃焼・反応領域における混合気に対し放電させ、着火する着火手段とを備え、前記誘電率制御手段は、前記燃焼・反応領域内における混合気の燃焼・反応が行われる前に、定めた量の水及び／又は排気ガスを前記燃焼・反応領域内に導入して、この混合気の誘電率を制御することにより、該燃焼・反応領域内における混合気の共振周波数を前記マイクロ波放射手段によって放射されるマイクロ波の周波数と共振させることを特徴とするものである。

〔構成２〕
構成１を有する点火装置において、前記マイクロ波放射手段となるマイクロ波放射アンテナと、前記着火手段となる点火・放電部とを備え、前記マイクロ波放射アンテナ及び点火・放電部は、一体的に構成された碍子部内に内蔵されていることを特徴とするものである。

〔構成３〕
構成１又は構成２を有する点火装置において、前記マイクロ波放射手段が放射するマイクロ波は、一、または、二以上の制御された断続波であることを特徴とするものである。

また、本発明に係る内燃機関は、以下の構成のいずれか一を有するものである。

〔構成４〕
シリンダ及びピストンから構成され、反応性ガスと酸化ガスとの混合気が供給されこの混合気の燃焼・反応、または、プラズマ反応が行われる燃焼・反応室と、前記燃焼・反応室を燃焼・反応領域とする構成１乃至３の何れか１つに記載の点火装置とを備え、前記ピストンの前記シリンダ内壁に摺接する外周面には、前記マイクロ波の漏洩を防止するための凹部が形成されていることを特徴とするものである。

〔構成５〕
シリンダ及びピストンから構成され、反応性ガスと酸化ガスとの混合気が供給されこの混合気の燃焼・反応、または、プラズマ反応が行われる燃焼・反応室と、前記燃焼・反応室を燃焼・反応領域とする請求項１乃至３の何れか１つに記載の点火装置と、前記点火装置の着火手段に供給する電圧を調整する電圧調整手段とを備え、前記電圧調整手段は、前記着火手段に供給する電圧を調整することにより、前記燃焼・反応室内における未燃焼・未反応の混合気に対して着火エネルギ以下での放電を行うことによりプラズマ化させ、及び／又は、既燃焼・既反応の混合気に対して放電を行うことによりプラズマ化させることを特徴とするものである。

この内燃機関においては、マイクロ波を用いることなく、従来のスパークプラグを応用することによって、着火前後の両方の段階でプラズマを生成させることができる。すなわち、着火手段に供給する電圧を断続波とし、その振幅及び時間長さを制御することにより、負荷、混合気濃度、回転数、着火タイミング等の広い条件下において、安定火炎の生成と、火炎伝搬速度の加速を実現することができる。

構成１を有する点火装置においては、誘電率制御手段が、燃焼・反応領域内の混合気の誘電率を制御し、この混合気の共振周波数をマイクロ波放射手段によって放射されるマイクロ波の周波数に一致させるので、マイクロ波放射手段によってマイクロ波が放射されたときに、混合気を効率良く温度上昇させることができる。

構成２を有する点火装置においては、マイクロ波放射手段となるマイクロ波放射アンテナと、着火手段となる点火・放電部とが、一体的に構成された碍子部内に内蔵されているので、これらを従来のスパークプラグと互換的に使用することができる。

構成３を有する点火装置においては、マイクロ波放射手段が放射するマイクロ波が一、または、二以上の制御された断続波であるので、複数箇所で放電を実現出来る。また、消費電力を増大させることなく、瞬間的にはマイクロ波を用いたプラズマを生成することができる。

構成４を有する内燃機関においては、ピストンのシリンダ内壁に摺接する外周面に、マイクロ波の漏洩を防止するための凹部が形成されているので、前述の点火装置を用いた場合においても、マイクロ波の漏洩を防止することができる。

構成５を有する内燃機関においては、着火手段に供給する電圧を調整することにより、燃焼・反応室内における未燃焼・未反応の混合気に対して着火エネルギ以下での放電を行うことによりプラズマ化させ、及び／又は、既燃焼・既反応の混合気に対して放電を行うことによりプラズマ化させるので、マイクロ波を用いることなく、従来のスパークプラグを応用することによって、着火前後の両方の段階でプラズマを生成させることができる。

すなわち、この内燃機関においては、着火手段に供給する電圧を断続波とし、その振幅及び時間長さを制御することにより、負荷、混合気濃度、回転数、着火タイミング等の広い条件下において、安定火炎の生成と、火炎伝搬速度の加速を実現することができる。

すなわち、本発明は、レシプロエンジン、ロータリーエンジン、ジェットエンジンやガスタービンなどの熱機関またはプラズマ装置において、混合気中の燃料の割合を下げて薄い混合気を燃焼・反応させる場合においても、安定、かつ、高効率の燃焼・反応が行われることを可能とし、着火の安定化、燃焼速度の向上、不均一混合気の燃焼促進、燃費消費率の改善を図ることができる点火装置を提供することができるものである。

また、本発明は、前述のような本発明に係る点火装置を適用するに好適な内燃機関を提供することができるものであり、さらに、本発明は、前述のような本発明に係る点火装置に適用するに好適な点火プラグを提供することができるものである。なお、この点火プラグは、内燃機関のみならず、燃焼・反応機器の点火装置として用いることができる。これにより、火炎の安定化と燃費向上、燃焼・反応効率の向上を図ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。

〔点火装置の第１の実施の形態〕
熱機関またはプラズマ装置において、反応性ガスと酸化ガスとの混合気が存在しこの混合気の燃焼・反応が行われる燃焼・反応領域、例えば、エンジンの燃焼・反応室において、マイクロ波による混合気の昇温や点火を行う場合には、昇温や点火のために要するエネルギを燃焼・反応室内に効率よく伝送する必要がある。そのため、燃焼・反応室の形状や混合気の誘電率（ε）などによって決まる共振周波数と、マイクロ波の周波数とが一致していることが望ましい。一方、マイクロ波を発生させるマグネトロンとしては、水分子に共振する発振周波数２．４５ＧHzのものが、すでに家電製品用として多数生産され使用されている。また、魚群探知機やレーダー用のものとしては、さらに高周波のマグネトロンが実用化されている。

そこで、燃焼・反応室の共振周波数を、例えば、この周波数（２．４５ＧHz）に一致させることができれば、大量に流通し安価である発振周波数２．４５ＧHzのマグネトロンを使用することができ、装置の製造の容易化や製造コストの低廉化の観点から望ましい。

しかし、シリンダの内部形状及びピストンの形状によって決まる燃焼・反応室の形状は、共振周波数以外の様々な要因によって決定されるため、すべての機関において共振周波数が一定となるような形状とすることは困難である。

そこで、本発明に係る点火装置においては、燃焼・反応室内に水及び／又は排気ガスを導入することにより、混合気の誘電率（ε）を制御して、燃焼・反応室内の混合気の共振周波数をマイクロ波の周波数に一致させるようにしている。

すなわち、この点火装置は、誘電率制御手段を有している。この誘電率制御手段は、熱機関またはプラズマ装置において反応性ガスと酸化ガスとの混合気が存在しこの混合気の燃焼・反応が行われる燃焼・反応領域（燃焼・反応室等）に対して、水及び／又は該燃焼・反応領域から排気された排気ガスを導入して、燃焼・反応領域内における混合気の誘電率を制御するものである。

燃焼・反応室内の混合気の誘電率（ε）は、燃焼・反応室内に噴射するガソリン量を変えることによる空燃比（Ａ／Ｆ値）の変化によっても変化するが、図１に示すように、混合気とは別に、燃焼・反応室内に水（水蒸気）を導入することによっても、変化させることができる。そこで、誘電率制御手段によって、燃焼・反応室内に水を導入することにより、燃焼・反応領域内における混合気の誘電率を制御することができる。燃焼・反応室内に水を導入することは、例えば、タンクに蓄えた水をポンプによって燃焼・反応室内に送り出すことによって行うことができる。

また、燃焼・反応室から排気された排気ガスを燃焼・反応室に再導入することは、いわゆる「ＥＧＲ」（エキゾースト・ガス・リターニング）として従来より行われていることであるので、排気ガスを燃焼・反応室に再導入する具体的な機構としては周知の機構を使用することができる。

誘電率制御手段は、これら水及び／又は排気ガスを燃焼・反応室内に導入することによって、燃焼・反応室内の水蒸気量や温度を制御し、これらによって混合気の誘電率（ε）を制御する。そして、この誘電率制御手段は、燃焼・反応室内の混合気の共振周波数を、後述するマイクロ波放射手段により放射されるマイクロ波の周波数に一致させる。

そして、この点火装置は、燃焼・反応領域内にマイクロ波を放射し、この燃焼・反応領域における混合気の温度を上昇させるマイクロ波放射手段を有している。このマイクロ波放射手段としては、発振周波数が２．４５ＧHzの一般的なマグネトロンを使用することができる。発振周波数２．４５ＧHzのマグネトロンは、いわゆる「電子レンジ」において使用されているものであり、大量に生産され流通しているものである。一方、マグネトロンに限らず、携帯電話等に用いられる高周波帯域の発信機等を使用しても良く、この場合は、より小型で携帯可能な装置を提供できる。そして、このマイクロ波放射手段は、マイクロ波をマイクロ秒のパルス、あるいは一、または、二以上の断続的として放射するものであることが望ましい。マイクロ波を断続的にすることにより、消費電力を増大させることなく、瞬間的には大きなパワーのマイクロ波によりプラズマを生成することができる。

さらに、本発明の適用対象物に対して、マイクロ波の発振形態をこれらパルス、断続、連続の組み合わせで最適となるよう構成して制御することもできる。

なお、断続的なマイクロ波の持続時間（パルス幅）は、それぞれの熱機関またはプラズマ装置により適宜最適化することができ、図２に示すように、例えば、インバータ付きの電子レンジの機構を応用するのであれば、１６ｍｓｅｃ程度の周期で３μｓｅｃ乃至１８μｓｅｃ程度のパルス幅のマイクロ波を放射することが可能となる。なお、断続的なマイクロ波の振幅及び周期は任意に設定できる。

この点火装置において、マイクロ波放射手段より発せられるマイクロ波は、同軸ケーブルを介して、燃焼・反応室内に伝送されるようになっている。

さらに、この点火装置は、燃焼・反応室内の混合気に対して着火する着火手段を有している。この着火手段は、ガソリンエンジンにおいて一般的に使用されているスパークプラグや、ディーゼルエンジンにおいて一般的に使用されているグロープラグなどの点火・放電部を有するものを使用することができる。

なお、この点火装置においては、着火手段として、スパークプラグやグロープラグを使用することなく、マイクロ波放射手段が着火手段をも兼ねるようにしてもよい。さらにマイクロ波によるプラズマ発生を容易にするための着火手段として、レーザ光、ライター・バーナーなどの火炎、ヒータ加熱、高温の金属片などの手段を用いて熱的に電子を供給しても良い。

この点火装置においては、誘電率制御手段は、燃焼・反応室内における混合気の燃焼・反応が行われる前に、この混合気の誘電率（ε）を制御することにより、燃焼・反応室内における混合気の共振周波数をマイクロ波放射手段によって放射されるマイクロ波の周波数に一致させる。この状態で、マイクロ波放射手段によってマイクロ波が放射されると、燃焼・反応室全体が共振し、燃焼・反応室内の混合気が効率良く昇温され、着火が容易な状態となる。

このように燃焼・反応室内の混合気が昇温された状態で、着火手段によって着火を行うことにより、混合気が良好に燃焼・反応することになる。この着火においては、マイクロ波による共振を利用して、いわゆる「体積着火」を行ってもよく、あるいは、局所領域において「点着火」を行ってもよく、さらに、多段の着火を行ってもよい。すなわち、この点火装置は、着火前、着火時、着火後に、マイクロ波によるプラズマ生成を行うことができるシステムである。

なお、着火時については、「着火遅れ時間」（イグニッション・ディレイ）を考慮して、着火は、ピストンが上死点に至り燃焼・反応室の容積が最も縮小される時点の所定時間前に行うことが望ましい。燃料の濃度（空燃比）や着火のタイミングは、それぞれの熱機関またはプラズマ装置により最適化することにより、最大の出力が得られるようにすることができる。

また、この点火装置においては、燃焼・反応室内に導入する水の量、再循環する排気ガスの量、燃料の量などを適宜最適化することにより、混合気の誘電率を的確に制御することができる。なお、これらの最適化は、燃焼・反応室内の酸素濃度、混合気の温度、残留ガスの濃度などによる影響も考慮して、適切に定めることでできる。

このようにして、この点火装置は、従来の熱機関またはプラズマ装置における点火装置に比較して、混合気中の燃料の割合が低い場合であっても混合気濃度が不均一状態であっても、安定した燃焼・反応を実現することができる。

なお、この点火装置は、燃焼・反応領域として閉鎖された燃焼・反応室を有さないジェットエンジンなどにおいても使用できる。ジェットエンジンなどにおいては、エンジン内の連続した空間において、吸気、混合、燃焼・反応及び排気がそれぞれ連続して行われるが、この点火装置は、燃焼・反応が行われる領域において、前述したように、混合気の誘電率の制御、マイクロ波放射及び着火を連続的に、または、断続的に行う。

そして、この点火装置において、マイクロ波放射手段は、発振周波数２．４５ＧHzのマグネトロンに限定されず、燃料中の炭化水素分子、炭素分子、または、水素分子等に共振する周波数において発振するマグネトロンを用いてもよい。この場合には、燃焼・反応領域内に水を導入する必要はない。

〔点火装置の参考形態〕
この参考形態における点火装置は、前述の第１の実施の形態における点火装置と同様に、マイクロ波放射手段と、着火手段とを有している。そして、この点火装置においては、マイクロ波放射手段及び着火手段を制御する制御手段を備えている。

制御手段は、マイクロ波放射手段及び着火手段を制御して、図３に示すように、マイクロ波放射手段により燃焼・反応室８内にマイクロ波を放射して燃焼・反応室における混合気の温度を上昇させ、または、ラジカル生成をさせた後に、着火手段により混合気に対し着火させ、次に、マイクロ波放射手段により燃焼・反応室内にマイクロ波を放射させて燃焼・反応室における混合気の燃焼・反応を促進させるというサイクルを繰り返して実行する。

すなわち、この点火装置においては、マイクロ波発生タイミング及びマイクロ波の出力（投入エネルギー）をコントロールすることによって、混合気の昇温及びラジカル生成、着火、火炎伝播促進という燃焼・反応サイクルを実現する。このとき、燃焼・反応前の混合気に対しては、前述の第１の実施の形態と同様に、水及び／又は排気ガスを導入することとしてもよい。

また、この点火装置においては、例えば、４段階のマルチ着火を行うことができる。第１段階では、着火前の混合気にマイクロ波を放射することにより、混合気における水の温度を上昇させる。第２段階では、着火前の混合気にマイクロ波を放射することにより、燃焼・反応領域でプラズマ放電を起こし、ラジカル濃度を上昇させる。これら第１段階及び第２段階により、混合気の着火特性を向上させ、着火が容易な状態とする。第３段階では、燃焼・反応領域における混合気に対し放電させ、着火を行う。このとき、既存のスパークプラグを用いた着火でもよい。第４段階では、着火後の混合気にマイクロ波を放射することにより、燃焼・反応領域でプラズマ放電を起こし、ラジカル濃度を上昇させ、または、マイクロ波を放射することにより、マイクロ波から定在波を発生させることによって、火炎伝播を促進させる。

なお、４段階のマルチ着火におけるマイクロ波のパルス幅及びマイクロ波の出力（投入エネルギー）は、図４に示すように、各段階のマイクロ波の出力及びパルス幅をそれぞれの熱機関またはプラズマ装置おいて最適化することにより、最大の出力が得られるようにすることができる。また、マイクロ波の出力と断続波の振幅及び周期との制御により、このマイクロ波の放射によって、混合気の昇温、ＯＨラジカルなどのラジカルの生成、着火及び火炎伝播促進のいずれをも行うことができる。

この点火装置においては、このようにして燃焼・反応が促進されることにより、従来の点火装置を用いた場合には燃焼・反応させることができなかった燃料の希薄な混合気をも効率良く燃焼・反応させることができ、出力を維持したままで、燃焼・反応消費率の改善、燃焼・反応室の小型化、出力の向上、排気ガスの清浄化を図ることができる。また、この点火装置においては、非完全燃焼・反応が防止され、完全燃焼・反応が実現されるので、大気汚染物が発生を抑制することができ、環境保護にも資することができる。

〔点火プラグの実施の形態〕
本発明に係る点火プラグは、図５中の（ａ）に示すように、マイクロ波放射手段となるマイクロ波放射アンテナ１と、着火手段となる点火・放電部２とを備えており、これらマイクロ波放射アンテナ及び点火・放電部が、一体的に構成された碍子部内に内蔵されているものである。この点火プラグは、従来のガソリンエンジンやディーゼルエンジンにおいて一般的に使用されているスパークプラグやグロープラグと互換的に使用することにより、前述した本発明に係る点火装置を構成することができるものである。

この点火プラグにおいて、マイクロ波放射アンテナ１には、同軸ケーブル３を介して、図示しないマグネトロンより、マイクロ波が伝送される。そして、この点火プラグは、マイクロ波放射アンテナ１を囲むようにして、円筒状のグランド端子部４を有している。点火・放電部２は、図示しない電源より電圧を印加される陽極端子５の先端部と、円筒状のグランド端子部４の先端部との間に形成されている。

また、この点火プラグは、図５中の（ｂ）に示すように、マイクロ波放射アンテナ１を円筒状に形成し、このマイクロ波放射アンテナ１内に陽極端子５を配置して構成してもよい。この場合には、グランド端子部４は、棒状に形成し、マイクロ波放射アンテナ１の外側に配置する。この場合においても、陽極端子５の先端部とグランド端子部４の先端部との間には、点火・放電部２が形成される。

この点火プラグにおいては、これらマイクロ波放射アンテナ１と点火・放電部２とは、図６に示すように、従来の一般的なスパークプラグと互換的な形状として一体的に構成される。そして、この点火プラグにおいては、着火手段としてのスパーク（放電）と、マイクロ波放射手段としてのマイクロ波の放射とが可能であり、前述した点火装置を構成することが容易となる。
なお、図５及び図６に示した各点火プラグにおいては、前述の点火装置の参考の形態である４段階マルチ着火ができる構造である。

〔内燃機関の第１の実施の形態〕
本発明に係る内燃機関は、図７に示すように、シリンダ６及びピストン７から構成され燃料と空気との混合気が供給されこの混合気の燃焼・反応が行われる燃焼・反応室８を有し、また、点火装置として、前述した実施の形態におけるマイクロ波放射アンテナ１を備えている。そして、この内燃機関は、ピストン７のシリンダ６内壁に摺接する外周面に、マイクロ波の漏洩を防止するための凹部９が形成されているものである。

この凹部９は、円柱状のピストン７の外周面に、この外周面を囲む円環状の溝が断続した形状として形成されている。この凹部９の幅（溝幅）Ｌは、シリンダ６の内壁とピストンの隙間をＤとし、マイクロ波の波長をλとしたとき、８Ｄ以上、λ／８以下とすることが望ましい。また、この凹部９の深さ（溝深さ）は、λ／４とする。

また、この凹部９は、図７（ａ）に示すように、マイクロ波の波長に乱れがない場合には、ピストン７の外周面の全周（３６０度）に対する約８０％の範囲に形成することにより、このマイクロ波がシリンダ６から漏洩しないようにすることができる。そして、この凹部９は、図７（ｂ）に示すように、マイクロ波の波長に乱れがある場合には通過させるので、選択的に特定の周波数のマイクロ波をトラップし、チャンバ内を安定させることができる。

〔内燃機関の参考形態〕
本参考形態に係るこの内燃機関は、図８に示すように、シリンダ及びピストンから構成され燃料と空気との混合気が供給されこの混合気の燃焼・反応が行われる燃焼・反応室８と、この燃焼・反応室８に設けられた吸気口１０及び排気口１１を開閉するバルブ１２とを有し、また、点火装置として、前述した実施の形態におけるマイクロ波放射手段を備えている。このマイクロ波放射手段は、前述したように、燃焼・反応室８内にマイクロ波を放射し、少なくとも燃焼・反応室８内の混合気の温度上昇を行う。

そして、この内燃機関においては、各バルブ１２の燃焼・反応室８内に臨む面には、マイクロ波に共振し、マイクロ波を一、または、二以上のバルブ底面、すなわち、エンジン燃焼室側に集中させる周期構造（例えば、リムボーン、ベーンストラップ、コルゲート）１３が形成されている。この周期構造１３は、窒化物などによって、マグネトロンにおける共振器と同形状の突条として形成されているものである。なお、この周期構造１３をなす突条間の凹部となる部分は、セラミック等の絶縁材料によって埋められており、各バルブ１２の燃焼・反応室８内に臨む面は、平坦な形状となされている。

この内燃機関においては、マグネトロンからのマイクロ波は、各バルブ１２のシャフト部１４を介して、各バルブ１２の燃焼・反応室８内に臨む面に伝送される。そして、このマイクロ波は、各バルブ１２の周期構造１３において共振し、電流に変換される。したがって、各バルブ１２の周期構造１３にマイクロ波が伝送されると、この周期構造１３においてスパークを生ずる。すなわち、この内燃機関においては、スパークプラグを使用しなくとも、スパークによる混合気に対する着火を行うことができる。なお、各バルブ１２のシャフト部１４は、マイクロ波の漏洩を防止するため、直径を８ｍｍ以下とすることが望ましい。

この内燃機関においては、従来のようなスパークプラグを設ける必要がなく、空間的な余裕ができるので、吸気口１０及び排気口１１を大型化して燃焼・反応効率の向上を図ることができる。また、内燃機関においては、各バルブ１２の燃焼・反応室８内に臨む面の略全面において多点着火を行うことができ、安定した燃焼・反応を実現することができる。

なお、この内燃機関においても、マイクロ波の全てのエネルギーがスパークに消費されるわけではなく、マイクロ波の出力やパルス幅等を適宜最適化することにより、マイクロ波のうちのスパークとして消費されるエネルギーと、燃焼・反応室８内にマイクロ波として放射されるエネルギーとの割合を調整することができ、前述したような点火装置を構成することが可能である。

また、この内燃機関においては、図９に示すように、マイクロ波が伝送されるバルブ１２のシャフト部１４の回りに磁石１５を設けて、磁界および電界を発生させることにより、プラズマ生成及び火炎伝播促進による燃焼・反応の促進を図ることができる。

さらに、この内燃機関においては、図１０に示すように、燃焼・反応室８の内壁部に、マイクロ波に共振する周期構造１３（窒化物などによってマグネトロンにおける共振器と同形状の突条として形成したもの）を設け、この周期構造１３に電流を供給することにより、この周期構造１３においてマイクロ波が発生されるようにしてもよい。

〔プラズマ装置の第１の参考形態〕
本参考形態に係るプラズマ装置は、図１１に示すように、マイクロ波発振装置１７と、所定のマイクロ波帯域を共振するマイクロ波共振空洞（キャビティ）１８と、キャビティ内にマイクロ波を放射するマイクロ波放射手段（マイクロ波放射アンテナ）１９と、キャビティ内の気体に対し部分放電して気体をプラズマ化するプラズマ着火手段２０とを備え、マイクロ波放射アンテナ１９は、プラズマ着火手段２０によるプラズマ生成領域２１にマイクロ波による強電界場を形成するものである。

有害排出物、化学物質、浮遊粒子状物質、スス等をプラズマによる生成物（ＯＨラジカル、オゾン（Ｏ３））を利用して化学的に酸化、反応させ、無害化するために、マイクロ波共振空洞（キャビティ）内流体２２に、高圧場（大気圧、または、０．２ＭＰａ以上）の非平衡プラズマを発生させる。大気圧・非平衡プラズマの最大のメリットは、熱・化学平衡の制約を回避して、温度・圧力とほぼ独立に反応速度や原料転換率を制御できる点にある。生成したプラズマと反応させる反応器（リアクタ）の設計自由度が高く、軽量・コンパクト、かつ応答性のよいリアクタを構築することもできる。大気圧・非平衡プラズマは、例えば、メタンからメタノールの直接合成、天然ガスの水蒸気改質、アセチレン合成、天然ガスの液化などへの利用も考えられている。

この時、発生するプラズマの圧力は、無害化する有害排出物、化学物質、浮遊粒子状物質、スス等の処理流体のライン圧力で設定される。また、処理量は、ラインを流れる流量で決まる。

さて、高圧場のプラズマを生成させるために、発明者は種々の基礎研究を行ってきた。その研究成果からプラズマの種を何らかの方法で着火させ、それにエネルギーを与えることで安定したプラズマの持続が可能であることが判明した。そのため、プラズマ着火手段４に関しては、電極間に誘電体などの絶縁物を挿入するバリア放電、不平等電界を形成するコロナ放電、１μｓ未満の短パルス電圧を印加するパルス放電のいずれかを用いて非平衡プラズマを着火する。例えば、ガソリン自動車用点火プラグやグロープラグの放電を用い、局所的なプラズマを着火する。この生成したプラズマを成長させるために、マイクロ波発信装置１から発信するマイクロ波（マイクロ波）を用いて、点火プラグやグロープラグの放電箇所近傍のプラズマ生成領域２１に強電界場を形成する。これにより、マイクロ波のエネルギーが非平衡プラズマに吸収され、プラズマは成長（体積着火）する。この過程において、活性化学反応を生じるＯＨラジカルや強い酸化力を有するＯ３が数百倍のオーダーで多量に増加する。この反応を助長させるには、ＯＨラジカル、Ｏ３の元となる水分を加えると良い。また、この反応を促進させるためには、水分子が共振する１ＧHz以上のマイクロ波を印加させることが効果的である。マイクロ波を発生させるマグネトロンとしては、すでに世界中で多量に生産されている家電製品用（例えば、電子レンジ用の発振周波数２．４５ＧHzのもの）を用いることが、装置の製造の容易化、製造コストの低廉化の観点から望ましい。

また、有害物質等の処理対象物に応じて、マイクロ波放射手段は、発振周波数２．４５ＧHzのマグネトロンに限定されず、燃料中の炭化水素分子、炭素分子、または、水素分子等に共振する周波数において発振するマグネトロンを用いてもよい。この場合には、燃焼領域内に水を導入する必要はない。

〔プラズマ装置の第２の参考形態〕
本参考形態に係るプラズマ装置は、図１２に示すように、マイクロ波発振装置１７と、所定のマイクロ波帯域を共振するマイクロ波共振空洞（キャビティ）１８と、前記キャビティ内プラズマ生成領域２１にマイクロ波を放射するマイクロ波放射手段（マイクロ波放射アンテナ）１９と、前記キャビティ内の気体２２に対し部分放電して気体をプラズマ化するプラズマ着火手段２０と、プラズマ発生によって生成するＯＨラジカル、Ｏ３の発生量、もしくは発光強度を測定する測定部２３とマイクロ波放射手段及びプラズマ着火手段の投入エネルギー・パターン制御する制御手段２４を備えるものである。図中に示す矢印は、プラズマによって処理もしくは燃焼させる流体２５の流れ方向を示す。

第１の参考形態で説明したように、プラズマ発生によって無害化、もしくは酸化、ＯＨラジカルによる化学反応をした流体の成分は、下流側に設けた測定部２３において、ＯＨセンサ、Ｏ３センサによって、リアルタイムでＯＨラジカル、Ｏ３の発生量、もしくは発光強度を測定する。この測定結果を演算し、ある制御範囲のもとで、マイクロ波放射手段１９及びプラズマ着火手段２０を任意の値に制御することで、プラズマ装置を貫流する有害物質等の処理量を制御する。

〔プラズマ装置の第３の参考形態〕
本参考形態に係るプラズマ装置は、図１３に示すように、第１または第２の参考形態においてマイクロ波放射手段１９を小型、コンパクト、低廉化にするために行うものである。従来から用いられている点火プラグやグロープラグにアンテナ１９を組込むことで可能となる。この場合、アンテナ１９の先端を分岐して点火・放電部を取り囲むようにして強電界場にする。

〔プラズマ装置の第４の参考形態〕
本参考形態に係るプラズマ装置は、図１３に示すように、第１及至第３の参考形態において、マイクロ波を伝送する同軸ケーブル２６と、マイクロ波を分岐、隔離、結合する方向性結合器２７と、伝送系全体のインピーダンスを調整する調整器（スタブ）２８とを備えるものである。例えば、本参考形態を自動車用エンジンに適用する場合は、振動が多いエンジン部にマイクロ波発信装置１７を設置するのではなく、振動や温度が変動しない箇所に設置することで、マイクロ波発信装置１７の耐久性、信頼性を向上させることができる。また、方向性結合器を設けることで、マイクロ波発信装置からのエネルギーを燃焼室やオンラインでの反応炉（プラズマによる有害物質等の無害化を行う箇所）で多点に分岐して処理ムラのない装置を実現することができる。

〔排ガス分解装置の第１の参考形態〕
本参考形態に係る排ガス分解装置は、図１２もしくは図１４と基本的構成は同じである。図１２もしくは図１４に示すように、マイクロ波発振装置１７と、所定のマイクロ波帯域を共振するマイクロ波共振空洞（キャビティ）１８と、前記キャビティ内プラズマ生成領域にマイクロ波を放射するマイクロ波放射手段（マイクロ波放射アンテナ）１９と、前記キャビティ内の気体２２に対し部分放電して気体をプラズマ化するプラズマ着火手段２０と、プラズマ発生によって生成するＯＨラジカル、Ｏ３の発生量、もしくは発光強度を測定する測定部２３とマイクロ波放射手段及びプラズマ着火手段の投入エネルギー・パターン制御する制御手段２４を備えるものである。図中に示す矢印は、プラズマによって処理もしくは燃焼させる排ガス流体２５の流れ方向を示す。

第１の参考形態で説明したように、燃焼・反応室での未燃ガスやスス、ＮＯＸ等の排ガスは、プラズマ発生に伴うオゾン、ＯＨラジカルの強酸化力によって炭素−炭素結合、炭素−水素結合を切断し、酸化、ＯＨラジカルによる化学反応によりＮＯ２、ＣＯ２などの安定した無害な酸化物や炭素へと排ガス成分を無害化する。下流側に設けた測定部６において、ＯＨセンサ、Ｏ３センサによって、リアルタイムでＯＨラジカル、Ｏ３の発生量、もしくは発光強度を測定する。この測定結果を演算し、ある制御範囲のもとで、マイクロ波放射手段１９及びプラズマ着火手段２０を任意の値に制御することで、プラズマ装置を貫流する有害物質等の処理量を制御することができる。

〔オゾン発生・滅菌・消毒装置、消臭装置の使用例〕
例えば、本参考形態を航空機用ジェットエンジンに適用する場合は、本装置をジェットエンジン排気コーン近傍に設置することで、水分を含んだ高圧蒸気を本装置で発生する非平衡プラズマにより多量のＯＨラジカル、Ｏ３に変換することができる。これにより従来、飛行中の排気ガスにより大気汚染をしていたが、排気ガスを多量のＯＨラジカル、Ｏ３の強力な酸化力をもって無害なガスに分解するとともに、フロン等で破壊された成層圏のオゾン層修復のために多量のＯ３を発生させることができる。

また、本装置をジェットエンジン高圧コンプレッサ後段に位置する燃焼室内に設置することで、圧縮された混合燃料を強力なラジカル反応で燃焼促進することが可能となる。これにより、大気汚染排出ガスではなくクリーンな排気ガスを放出することで環境保護に貢献することができる。下流側に設けた測定部６において、ＯＨセンサ、Ｏ３センサによって、リアルタイムでＯＨラジカル、Ｏ３の発生量、もしくは発光強度を測定する。この測定結果を演算し、ある制御範囲のもとで、マイクロ波放射手段及びプラズマ着火手段を任意の値に制御することで、燃焼室内の燃焼制御により有害物質等の生成量を制御することができる。

〔本発明に係わる内燃機関の使用例〕
本発明に係わる内燃機関の燃料にバイオガス、超希薄メタンガス、超低カロリーガスなどを用いても、プラズマ生成によって発生したＯＨラジカル、Ｏ３の強酸化力を利用して化学的反応を促進させることができ、通常ガスエンジンでは追加ガスとあわせてしか燃焼できなかったところを燃焼可能とするだけでなく、出力向上、発電効率向上なども期待できる。

〔本参考形態に係わるプラズマ装置の使用例〕
本参考形態のプラズマ装置を大気圧・空気中において使用することにより、空気中に含まれるN2から多量のスペクトル光を発生させることができる。このスペクトルを集光し、ファイバー等で導出することで、従来用いられていた高価なレーザ光源の代わりに安価でコンパクトなN2スペクトル光源、パルス光源を提供することができる。

〔本参考形態に係わるオゾン発生・滅菌・消毒装置、消臭装置の使用例〕
本参考形態の装置を建築現場における建築物内の一角に設置し、建築物を密閉にした状態で動作することによりシックハウス物質の除去や、塗装、接着糊、防腐剤などのさまざまな異臭の脱臭、細菌、ばい菌、アレルギー物質の除菌、消毒を行うことができる。この場合、建築現場等での簡易排気装置の後段に本参考形態の装置を設置することで後処理した無害の空気を排出できる。あるいは、一般家庭電化製品である掃除機に本装置を組み込むことで、掃除しながら、清掃表面の有害物質を本装置で発生するＯＨラジカル、Ｏ３で分解することも可能である。ここでは、対象物を建築物（公共施設、ビル、体育館、講堂、ショッピングモールなど）として説明したが、同様の効果は、たとえば自動車、電車、貨物、飛行機、船、潜水艦、戦車など任意の密閉空間を有する対象物に対する滅菌、脱臭、消毒に適用することでこの効果を最大限活用することができる。さらにプラズマ発生時にＨ2Ｏ（水分）を添加することで一層、多くのＯＨラジカル等を発生させ、効果を増すことができる。

さらに、公共施設、ビル、体育館、講堂、ショッピングモールや、トンネルなどの施設での火災時の一酸化炭素による中毒防止や、空気清浄化にも適用でき、一酸化炭素から二酸化炭素への変換による無害化、消煙効果、など人命救助に資することができる。

本発明に係る点火装置が適用される内燃機関における混合気の温度と誘電率との関係を示すグラフである。 本発明に係る点火装置におけるマイクロ波のパルス幅を示すグラフである。 前記内燃機関における燃焼・反応室の構成を示す側面図である。 参考形態に係る４段階のマルチ着火のマイクロ波のパルス幅およびマイクロ波の出力を示すグラフである。 本発明に係る点火プラグの構成を示す断面図である。 本発明に係る点火プラグの構成を示す側面図である。 本発明に係る内燃機関の第１の実施の形態の要部の構成を示す側面図及び平面図である。 内燃機関の参考形態の要部の構成を示す断面図である。 本参考形態に係る内燃機関の構成の他の例を示す側面図である。 本参考形態に係る内燃機関の構成のさらに他の例を示す断面図である。 プラズマ装置の第１の参考形態の要部の構成を示す側面図である。 プラズマ装置の第２の参考形態の要部の構成を示す側面図である。また、排ガス処理装置の第１の参考形態の要部の構成を示す側面図である。 プラズマ装置の第３の参考形態の要部の構成を示す側面図である。 排ガス処理装置の第２の参考形態の要部の構成を示す側面図である。

１ マイクロ波放射アンテナ
２ 点火・放電部
３ 同軸ケーブル
４ グランド端子部
５ 陽極端子
６ シリンダ
７ ピストン
８ 燃焼・反応室
９ 凹部
１０ 吸気口
１１ 排気口
１２ バルブ
１３ 周期構造
１４ シャフト部
１５ 磁石
１６ 絶縁材料
１７ マイクロ波発振装置
１８ マイクロ波共振空洞（キャビティ）
１９ マイクロ波放射手段（マイクロ波放射アンテナ）
２０ プラズマ着火手段
２１ プラズマ生成領域
２２ キャビティ内流体
２３ 測定部
２４ 制御手段
２５ 同軸ケーブル

Claims (5)

1. 熱機関またはプラズマ装置において反応性ガスと酸化ガスとの混合気が存在しこの混合気の燃焼・反応、または、プラズマ反応が行われる燃焼・反応領域に対し、水及び／又は該燃焼・反応領域において生成された排気ガスを導入し、該燃焼・反応領域内における混合気の誘電率を制御する誘電率制御手段と、
   前記燃焼・反応領域内にマイクロ波を放射し、該燃焼・反応領域における混合気の温度を上昇させるとともに、該燃焼・反応領域でプラズマ放電をさせラジカル濃度を上昇させて火炎着火特性の向上及び火炎伝播速度の促進を図るマイクロ波放射手段と、
   前記燃焼・反応領域における混合気に対し放電させ、着火する着火手段とを備え、
   前記誘電率制御手段は、前記燃焼・反応領域内における混合気の燃焼・反応が行われる前に、定めた量の水及び／又は排気ガスを前記燃焼・反応領域内に導入して、この混合気の誘電率を制御することにより、該燃焼・反応領域内における混合気の共振周波数を前記マイクロ波放射手段によって放射されるマイクロ波の周波数と共振させる
   ことを特徴とする点火装置。
2. 前記マイクロ波放射手段となるマイクロ波放射アンテナと、
   前記着火手段となる点火・放電部とを備え、
   前記マイクロ波放射アンテナ及び点火・放電部は、一体的に構成された碍子部内に内蔵されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の点火装置。
3. 前記マイクロ波放射手段が放射するマイクロ波は、一、または、二以上の制御された断続波である
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか一に記載の点火装置。
4. シリンダ及びピストンから構成され、反応性ガスと酸化ガスとの混合気が供給されこの混合気の燃焼・反応、または、プラズマ反応が行われる燃焼・反応室と、
   前記燃焼・反応室を燃焼・反応領域とする請求項１乃至３の何れか１つに記載の点火装置とを備え、
   前記ピストンの前記シリンダ内壁に摺接する外周面には、前記マイクロ波の漏洩を防止するための凹部が形成されている
   ことを特徴とする内燃機関。
5. シリンダ及びピストンから構成され、反応性ガスと酸化ガスとの混合気が供給されこの混合気の燃焼・反応、または、プラズマ反応が行われる燃焼・反応室と、
   前記燃焼・反応室を燃焼・反応領域とする請求項１乃至３の何れか１つに記載の点火装置と、
   前記点火装置の着火手段に供給する電圧を調整する電圧調整手段とを備え、
   前記電圧調整手段は、前記着火手段に供給する電圧を調整することにより、前記燃焼・反応室内における未燃焼・未反応の混合気に対して着火エネルギ以下での放電を行うことによりプラズマ化させ、及び／又は、既燃焼・既反応の混合気に対して放電を行うことによりプラズマ化させる
   ことを特徴とする内燃機関。
   

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