JP5024089B2

JP5024089B2 - プラズマジェット点火内燃機関

Info

Publication number: JP5024089B2
Application number: JP2008026529A
Authority: JP
Inventors: 辰夫小林
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-02-06
Filing date: 2008-02-06
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2028-02-06
Also published as: JP2009185694A

Description

本発明は、プラズマジェット点火内燃機関に関する。

点火プラグは、気筒内の混合気を一点で着火させるものであるために、それほど高い着火性を有していない。これに対して、プラズマを噴射する点火装置が提案されており（例えば、特許文献１参照）、この点火装置は、プラズマジェットにより気筒内の混合気を多点で着火させることができるために、高い着火性を有している。

このような点火装置を備えるプラズマジェット点火内燃機関において、点火装置は、一般的な点火プラグと同様に、気筒内の混合気を中央から着火させるために、多くの場合において気筒上部略中心に配置され、ピストン頂面へ向けてプラズマを噴射する。

特開２００６−２９４２５７特開２００２−３６４３６９特開２００５−３３７０４７特開２００５−８３２５３特開２００７−５６７３１

ピストンは接地されているために、このようにピストン頂面へ向けてプラズマが噴射されると、プラズマ中の電子の一部は、混合気の着火に寄与せずに、ピストンに引き寄せられて吸収されてしまう。それにより、このような電子を混合気の着火に寄与させることができれば、混合気の着火性をさらに改善することができる。

従って、本発明の目的は、プラズマジェット点火内燃機関において、混合気の着火性をさらに改善することである。

本発明による請求項１に記載のプラズマジェット点火内燃機関は、ピストン頂面へ向けてプラズマを噴射する点火装置を具備し、前記ピストン頂面において、少なくとも前記点火装置から噴射されたプラズマが向かう部分には、プラズマ中の電子の吸収を抑制するための絶縁体が配置され、前記絶縁体は、二次電子放出係数が１より大きな絶縁性金属であることを特徴とする。

本発明による請求項２に記載のプラズマジェット点火内燃機関は、ピストン頂面へ向けてプラズマを噴射する点火装置を具備し、前記ピストン頂面において、少なくとも前記点火装置から噴射されたプラズマが向かう部分には、プラズマ中の電子の吸収を抑制するための絶縁体が配置され、前記絶縁体の表面の少なくとも一部には、二次電子放出係数が１より大きな金属が配置されていることを特徴とする。

本発明による請求項３に記載のプラズマジェット点火内燃機関は、請求項１又は２に記載のプラズマジェット点火内燃機関において、前記点火装置は前記ピストン頂面に形成されたキャビティ内へプラズマを噴射し、前記キャビティの内壁に前記絶縁体が配置され、前記キャビティ内の混合気をプラズマにより点火させ、前記混合気の燃焼により圧力及び温度を上昇させて前記キャビティ外の混合気を自着火燃焼させることを特徴とする。

本発明による請求項４に記載のプラズマジェット点火内燃機関は、請求項３に記載のプラズマジェット点火内燃機関において、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、前記キャビティ内の前記混合気を形成するために、前記燃料噴射弁により圧縮行程後半に前記キャビティ内へ燃料を噴射することを特徴とする。

本発明による請求項１に記載のプラズマジェット点火内燃機関によれば、ピストン頂面へ向けてプラズマを噴射する点火装置を具備し、ピストン頂面において、少なくとも点火装置から噴射されたプラズマが向かう部分には、プラズマ中の電子の吸収を抑制するための絶縁体が配置されているために、これまで、接地されたピストンへ引き寄せられて吸収されていた電子は、ピストンへの吸収が抑制され、気筒内の混合気の着火に寄与するようになり、混合気の着火性をさらに改善することができる。

また、絶縁体は、二次電子放出係数が１より大きな絶縁性金属であるために、これまで、接地されたピストンへ引き寄せられて吸収されていた電子は、ピストンへの吸収が抑制されると共に、プラズマ中の電子がこの絶縁性金属に衝突しても、この絶縁性金属からは、衝突した以上の数の電子が放出されるために、これら放出電子も混合気の着火に寄与し、混合気の着火性をさらに改善することができる。

本発明による請求項２に記載のプラズマジェット点火内燃機関によれば、絶縁体の表面の少なくとも一部には、二次電子放出係数が１より大きな金属が配置されているために、これまで、接地されたピストンへ引き寄せられて吸収されていた電子は、ピストンへの吸収が抑制されると共に、プラズマ中の電子がこの金属に衝突しても、この金属からは、衝突した以上の数の電子が放出されるために、これら放出電子も混合気の着火に寄与し、混合気の着火性をさらに改善することができる。

本発明による請求項３に記載のプラズマジェット点火内燃機関によれば、請求項１又は２に記載のプラズマジェット点火内燃機関において、点火装置はピストン頂面に形成されたキャビティ内へプラズマを噴射し、キャビティの内壁に絶縁体が配置されているために、これまで、接地されたピストンへ引き寄せられて吸収されていた電子は、キャビティ内においてピストンへの吸収が抑制され、キャビティ内の混合気を良好に着火させることができる。また、キャビティ内は排気ガスが残留し易いために、キャビティ内の混合気の排気ガス濃度は高くなる。それにより、キャビティ内の混合気の燃焼温度は低くなってＮＯ_X生成量を低減することができる。キャビティ外の混合気の温度及び圧力は、キャビティ内の混合気の燃焼により高められるために、キャビティ外の混合気は自着火燃焼する。

本発明による請求項４に記載のプラズマジェット点火内燃機関によれば、請求項３に記載のプラズマジェット点火内燃機関において、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、キャビティ内の混合気を形成するために、燃料噴射弁により圧縮行程後半にキャビティ内へ燃料を噴射するようになっている。それにより、所望量の燃料をキャビティ内へ確実に供給することができ、キャビティ内の混合気のさらに確実な着火燃焼が保証される。

図１は本発明によるプラズマジェット点火内燃機関の実施形態を示す縦断面図である。同図において、１は高温のプラズマを噴射する点火装置である。２は一対の吸気弁３を介して気筒内へ通じる一対の吸気ポートであり、４は一対の排気弁５を介して気筒内へ通じる一対の排気ポートである。６は一方の吸気ポート２へ燃料を噴射する燃料噴射弁であり、７はピストンである。

本内燃機関は、燃料噴射弁６により吸気同期又は吸気非同期として噴射された燃料を吸気行程において気筒内へ供給して気筒内に理論空燃比又はリーン空燃比の均質混合気を形成し、圧縮行程末期の点火時期において点火装置１により高温のプラズマを噴射することにより均質混合気を多点位置で着火し、燃焼速度の速い良好な均質燃焼を実現することが意図されている。点火装置１は、気筒内の均質混合気を中央から燃焼させて燃焼時間を短縮するために気筒上部略中心に配置されている。

このように、特に、点火装置１が気筒上部に配置されてピストン７の頂面に向けてプラズマを噴射する場合には、ピストン７は接地されているために、何もしなければ、プラズマ中の電子の一部は、混合気の着火に寄与せずに、ピストン７に引き寄せられて吸収されてしまう。

これに対して、本実施形態では、ピストン７の頂面において、少なくとも点火装置１から噴射されたプラズマが向かう部分には、プラズマ中の電子の吸収を抑制するためのセラミック等の絶縁体７ａが配置されている。好ましくは、ほぼピストン７の頂面全体に絶縁体７ａが配置される。それにより、これまで、接地されたピストンへ引き寄せられて吸収されていたプラズマ中の高温の電子は、ピストンへの吸収が抑制され、気筒内の混合気の着火に寄与するようになり、混合気の着火性をさらに改善することができる。こうして、例えば、点火装置１においてプラズマの発生量を少なくすることができる。

図２は本発明によるプラズマジェット点火内燃機関のもう一つの実施形態を示す縦断面図である。図１との実施形態との違いについてのみ以下に説明する。本実施形態において、ピストン７’の頂面にはキャビティＣが形成され、点火装置１はキャビティＣ内へプラズマを噴射する。それにより、点火装置１から噴射されたプラズマが向かうピストン７’の頂面の部分として、キャビティＣの内壁に、セラミック等の絶縁体７ａ’が配置されている。好ましくは、キャビティＣの内壁全体が絶縁体７ａ’により形成される。

吸気ポート２に配置された燃料噴射弁６に加えて、気筒内へ直接的に燃料を噴射するもう一つの燃料噴射弁８が設けられている。しかしながら、この燃料噴射弁８は省略可能であり、省略された場合には、図１の実施形態と同様に、吸気ポート２に配置された燃料噴射弁６によって燃料を噴射し、気筒内に理論空燃比又はリーン空燃比の均質混合気が形成される。

本実施形態では、点火装置１は、ピストン７’の頂面のキャビティＣ内へプラズマを噴射するが、キャビティＣの内壁に配置された絶縁体７ａ’によって、接地されたピストンへ引き寄せられて吸収されていたプラズマ中の高温の電子は、ピストンへの吸収が抑制され、キャビティ内の混合気の着火に寄与するために、混合気を良好に着火させることができる。

キャビティＣ内は排気ガスが残留し易いために、キャビティＣ内の混合気の排気ガス濃度は高くなる。それにより、キャビティＣ内の混合気の燃焼温度は低くなってＮＯ_X生成量を低減することができる。こうして、キャビティＣ内の混合気を着火燃焼させることにより、キャビティＣ外の混合気を火炎伝播により燃焼させるようにしても良いが、均質混合気の空燃比と圧縮比とを適当に選択して、キャビティＣ内の混合気の燃焼により、キャビティＣ外の混合気の温度及び圧力が高められて自着火燃焼するようにすることが好ましい。

このような自着火燃焼は多点位置での着火となるために燃焼速度の速い良好な燃焼となる。また、このように、一部の燃料をプラズマジェットにより確実に着火させ、残りの燃料を自着火燃焼させるようにすれば、燃焼時期の制御によって効率的な燃焼を実現することができると共に、全ての燃料が一度に自着火燃焼する場合の騒音を防止することができる。

気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁８が設けられている場合には、この燃料噴射弁８により、キャビティＣ内の混合気を形成するための燃料を圧縮行程後半にキャビティＣ内へ直接的に噴射することが好ましい。それにより、所望量の燃料（例えば、全噴射量の１０％）をキャビティＣ内へ確実に供給することができ、キャビティＣ内の混合気のさらに確実な着火燃焼が保証される。

キャビティＣ外の混合気を形成するための燃料は、吸気ポート２に配置された燃料噴射弁６によって噴射される。しかしながら、この燃料噴射弁６を省略して、キャビティＣ外の混合気を形成するための燃料は、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁８によって吸気行程において噴射するようにしても良い。

キャビティＣ内の混合気を形成する燃料を燃料噴射弁８によって噴射する際に、ピストン７’の平面図である図３に示すように、キャビティＣの周囲壁に沿って略周方向に燃料Ｆが噴射されるようにすることが好ましい。それにより、燃料Ｆは慣性力によってキャビティＣ内を旋回しながら気化して、キャビティＣ内を旋回する混合気となる。

このようにキャビティＣ内を旋回する混合気に、点火装置１によってプラズマが噴射されると、プラズマジェットはキャビティＣ内に拡散して混合気を非常に良好に着火させることができる。

本実施形態において、キャビティＣは、ピストン７’の頂面において、吸気ポート２側に偏倚しており、点火装置１から略真下に噴射されるプラズマは、キャビティＣの周囲部へ流入し、キャビティＣ内を旋回する混合気と良好に接触する。しかしながら、キャビティＣ内を旋回する混合気とプラズマとの接触をさらに促進して混合気の着火性を改善するために、点火装置１から斜め下方向にキャビティＣの周囲壁に沿ってプラズマをキャビティＣ内へ噴射するようにして、プラズマジェットにキャビティＣ内を混合気と同一方向に旋回する速度成分を付与するようにしても良い。

ところで、ピストン頂面に配置する絶縁体として、酸化マグネシウムＭｇＯを使用すると、酸化マグネシウムＭｇＯは二次電子放出係数が１より大きな６から７であるために、プラズマ中の電子が絶縁体として使用した酸化マグネシウム層に衝突すると、衝突数の６から７倍の数の電子が放出され、これら放出電子も、比較的高温度であり、混合気の着火に寄与するために、混合気の着火性をかなり改善することができる。

また、銅Ｃｕの二次電子放出係数は１．３であり、酸化バリウムＢａＯ及び酸化ストロンチウムＳｒＯの二次電子放出係数は５から１２であり、タングステンＷの二次電子放出係数は１．５であり、白金Ｐｔの二次電子放出係数は１．６であり、モリブデンＭｏの二次電子放出係数は１．３であり、塩化ナトリウムＮａＣｌの二次電子放出係数は６から７である。

それにより、図１の内燃機関において、図４に示すように、ピストン７の頂面の絶縁体７ａの表面に、また、図２の内燃機関において、図５に示すように、ピストン７’のキャビティＣ内壁の絶縁体７ａ’の表面に、二次電子放出係数が１より大きなこれら金属７ｂ又は７ｂ’を、ピストン７から絶縁して配置することにより、プラズマ中の電子がこれら金属に衝突すると、衝突数の以上の電子が放出され、これら放出電子も、比較的高温度であり、混合気の着火に寄与するために、混合気の着火性をかなり改善することができる。

本発明によるプラズマジェット点火内燃機関の実施形態を示す縦断面図である。本発明によるプラズマジェット点火内燃機関のもう一つの実施形態を示す縦断面図である。図２のピストンの平面図である。図１の内燃機関のピストンの変形例を示す断面図である。図２の内燃機関のピストンの変形例を示す断面図である。

符号の説明

１点火装置
７，７’ ピストン
７ａ，７ａ’ 絶縁体

Claims

ピストン頂面へ向けてプラズマを噴射する点火装置を具備し、前記ピストン頂面において、少なくとも前記点火装置から噴射されたプラズマが向かう部分には、プラズマ中の電子の吸収を抑制するための絶縁体が配置され、前記絶縁体は、二次電子放出係数が１より大きな絶縁性金属であることを特徴とするプラズマジェット点火内燃機関。
ピストン頂面へ向けてプラズマを噴射する点火装置を具備し、前記ピストン頂面において、少なくとも前記点火装置から噴射されたプラズマが向かう部分には、プラズマ中の電子の吸収を抑制するための絶縁体が配置され、前記絶縁体の表面の少なくとも一部には、二次電子放出係数が１より大きな金属が配置されていることを特徴とするプラズマジェット点火内燃機関。
前記点火装置は前記ピストン頂面に形成されたキャビティ内へプラズマを噴射し、前記キャビティの内壁に前記絶縁体が配置され、前記キャビティ内の混合気をプラズマにより点火させ、前記混合気の燃焼により圧力及び温度を上昇させて前記キャビティ外の混合気を自着火燃焼させることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマジェット点火内燃機関。
気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、前記キャビティ内の前記混合気を形成するために、前記燃料噴射弁により圧縮行程後半に前記キャビティ内へ燃料を噴射することを特徴とする請求項３に記載のプラズマジェット点火内燃機関。