JP5040894B2

JP5040894B2 - プラズマ点火装置を備える内燃機関

Info

Publication number: JP5040894B2
Application number: JP2008292483A
Authority: JP
Inventors: 辰夫小林
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-11-14
Filing date: 2008-11-14
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2028-11-14
Also published as: JP2010116910A

Description

本発明は、プラズマ点火装置を備える内燃機関に関する。

内燃機関において、点火装置により気筒内全体の均質混合気又は気筒内の一部に存在する混合気を確実に着火させなければならない。しかしながら、点火ギャップに火花を発生させる一般的な点火装置は、混合気の一点を着火させるものであり、それほど高い着火性を有してはいない。

着火性に優れた点火装置として、プラズマジェットを噴射するプラズマ点火装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。プラズマ点火装置は、絶縁体の側壁により形成されたチャンバと、チャンバの一端側に配置された接地電極と、チャンバの他端側に配置された中心電極とを具備し、中心電極と接地電極との間に電圧を印加して発生する放電によってチャンバ内に高温高圧のプラズマを発生させるものである。プラズマ点火装置の先端部には、チャンバと気筒内とを連通する噴孔が形成され、こうして噴孔から気筒内へチャンバ内のプラズマが噴射され、プラズマジェットの断面積に相当する混合気の所定面積を同時に着火させることによって、高い着火性を実現することができる。

特開２００６−２９４２５７特開平１１−６２５９４特開２００７−７７９２１特開２００７−１４６７０４特開２００３−２５４０７０特開２００６−１５２８１７

このようなプラズマ点火装置において、先端部には、高温のプラズマジェットを噴射する噴孔が形成されるために、十分に冷却されないと溶損することがある。

従って、本発明の目的は、プラズマ点火装置を具備する内燃機関において、プラズマ点火装置の先端部を良好に冷却可能とすることである。

本発明による請求項１に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関は、プラズマを発生させるチャンバと気筒内とを連通する噴孔が先端部に形成されたプラズマ点火装置を備える内燃機関であって、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁が設けられ、前記燃料噴射弁は、前記プラズマ点火装置の前記先端部の前記噴孔の近傍に直接的に又は間接的に衝突するように燃料を噴射し、前記プラズマ点火装置の前記先端部の前記噴孔の近傍には、衝突燃料の方向を前記噴孔から噴射されるプラズマジェットに沿うように変更する凹部が形成され、前記燃料噴射弁は、成層混合気を形成するための燃料を前記先端部に形成された前記凹部に衝突するように点火時期直前に噴射することを特徴とする。

本発明による請求項１に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関によれば、プラズマを発生させるチャンバと気筒内とを連通する噴孔が先端部に形成されたプラズマ点火装置を備える内燃機関であって、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁が設けられ、この燃料噴射弁は、プラズマ点火装置の先端部の噴孔の近傍に直接的に又は間接的に衝突するように燃料を噴射するようになっている。それにより、プラズマ点火装置の先端部は、噴孔近傍に衝突する燃料によって良好に冷却されて溶損が抑制される。

また、プラズマ点火装置の先端部の噴孔の近傍には、衝突燃料の方向を噴孔から噴射されるプラズマジェットに沿うように変更する凹部が形成され、燃料噴射弁は、成層混合気を形成するための燃料を先端部に形成された凹部に衝突するように点火時期直前に噴射するようになっている。それにより、成層混合気を形成するために燃料噴射弁から噴射された燃料は、プラズマ点火装置の先端部の凹部に衝突して先端部を良好に冷却すると共に、凹部との衝突によりプラズマジェットに沿うように方向を変更されて可燃混合気となり、プラズマジェット近傍の成層混合気が形成されるために、プラズマジェットにより良好に着火燃焼させることができる。

図１は本発明のプラズマ点火装置を備える内燃機関の第一実施形態を示す縦断面図である。同図において、１００はプラズマ点火装置であり、１０１は一対の吸気弁１０２を介して気筒内へ通じる一対の吸気ポートであり、１０３は一対の排気弁１０４を介して気筒内へ通じる一対の排気ポートである。プラズマ点火装置１００は、気筒上部周囲の例えば二つの排気弁１０４の間に配置されている。

１０５は、気筒内へ直接的に燃料を噴射する第一燃料噴射弁であり、気筒上部周囲の排気弁１０４側に配置されたプラズマ点火装置１００に対向するように、気筒上部周囲の二つの吸気弁１０２の間に配置されている。１０６は一方の吸気ポート１０１に配置された第二燃料噴射弁である。１０７はピストンである。

図３は、本実施形態の内燃機関に取り付けられたプラズマ点火装置１００の断面図（プラズマ点火装置の中心軸線を通り図１に垂直な面における断面図）である。同図において、１はプラズマ点火装置１００の軸線方向に延在するように絶縁体２の筒状先端部２ａを側壁として形成されたチャンバであり、３はチャンバ１の一端側に配置された接地電極であり、４はチャンバ１の他端側に配置された中心電極である。

接地電極３及び中心電極４は、耐熱性と高い導電性とを有する金属、例えば、ステンレス等の鉄系金属、ニッケル系金属、又は、イリジウム系金属又はイリジウム合金とすることができる。中心電極４に対して接地電極３を絶縁するための絶縁体２の材質は、セラミックス（例えばアルミナセラミックス）とすることが好ましい。５は中心電極４へ電圧を印加するための導体（例えばニッケル）であり、６は導体５と中心電極４とを電気的に接続するための導電性接着剤である。７は絶縁体２を覆うと共に接地電極３を固定するハウジングである。Ｇは絶縁体２とハウジング７との間の隙間を密閉するための金属ガスケットである。

８はチャンバ１と気筒内とを連通する二つの噴孔である。本実施形態においては、図３のＡ−Ａ断面図である図４に示すように、接地電極３はチャンバ１内において直径方向に対向する二つの切欠３ａが設けられ、二つの噴孔８は、これら切欠き３ａの位置においてハウジング７を貫通するように、プラズマ点火装置１００の先端部１００ａに形成されている。プラズマジェットは、二つの噴孔８から気筒上部の吸気弁側へ向けて、気筒中心軸線に対して垂直な平面上又はこの平面に対して僅かに下方向に傾斜する平面上を進行し、シリンダヘッド及び圧縮上死点近傍のピストン１０７に衝突しないように噴射される。

図６はプラズマ点火装置の電源制御回路である。図６において、１０は電子制御装置ＥＣＵにより制御されるトランジスタであり、１１は第一バッテリであり、１２は点火コイルである。また、１３はコンデンサであり、１４は第二バッテリ１５の制御回路である。

このように構成された電源制御回路において、ＥＣＵは、先ず、トランジスタ１０のスイッチングによって第一バッテリ１１の電圧を点火コイル１２により増幅して中心電極４と接地電極３との間に印加する。こうして、中心電極４と接地電極３との間に作用する高電圧によって、図３にＳ１で示すように、絶縁体２の筒状先端部２ａの内面上の沿面放電が発生し、チャンバ１内の沿面放電近傍のガス（混合気）をプラズマ化させる。こうして、チャンバ１内のガスの一部がプラズマ化されてイオン及び電子が生成されると同時にコンデンサに蓄えられた電圧が放出され、図３にＳ２で示すように、チャンバ１内に気中放電が発生する。制御回路は気中放電が持続するようにだけ比較的低い第二バッテリ１５の電圧を中心電極４と接地電極３との間に印加するが、比較的大きな電流を流すことができる。

こうして、気中放電によってチャンバ１内のガスの大部分がプラズマ化されると、チャンバ１内のガスは高温高圧となってプラズマジェットとして噴孔８から気筒内へ噴射される。

チャンバ１内のガスをプラズマ化させる際に、気中放電に比較して沿面放電の方が低い電圧で発生させることができる。しかしながら、沿面放電だけでチャンバ１内のガスの大部分をプラズマ化させることは、絶縁体２の側壁内面上で長い時間沿面放電を持続させなければならないために効率的ではなく、チャンバ１内に気中放電を発生させることが必要とされる。前述のように、沿面放電により一部のガスをプラズマ化させることにより気中放電を発生させるのに必要な電圧を低くすることができる。こうして、最初に沿面放電を発生させ、次いで気中放電を発生させることにより、それほど高電圧を必要とすることなくチャンバ１内のガスの大部分をプラズマ化させることができる。

ところで、高温のプラズマを噴射する噴孔８は非常に高温となるために、噴孔８が形成されたプラズマ点火装置１００の先端部１００ａを良好に冷却しないと溶損してしまうことがある。本実施形態において、プラズマを発生させるための沿面放電及び気中放電において電子が集中するために中心電極４より高温となる接地電極３がチャンバ１の一端側として、プラズマ点火装置１００の先端部１００ａ側に配置されているために、先端部１００ａの温度上昇はさらに顕著となる。

本実施形態の内燃機関においては、図１に示すように、第一燃料噴射弁１０５が、プラズマ点火装置１００の先端部１００ａの噴孔８の近傍に直接的に衝突するように燃料Ｆを噴射し、プラズマ点火装置１００の先端部１００ａは、噴孔８近傍に衝突する燃料によって良好に冷却されて溶損を抑制するようになっている。

こうして、第一燃料噴射弁１０５により噴射された燃料によりプラズマ点火装置１００の先端部１００ａを冷却するだけであれば、第一燃料噴射弁１０５は、噴射燃料がプラズマ点火装置１００の先端部１００ａに到達する前に燃焼してしまう時（例えば膨張行程初期）を除き、先端部１００ａの冷却のための燃料を噴射することができる。例えば、均質燃料を実施する場合には、機関運転状態（機関回転数及び機関負荷）により定まる必要燃料量の大部分を第二燃料噴射弁１０６により吸気開弁前（吸気非同期）又は吸気行程（吸気同期）で噴射し、残り一部の燃料を吸気行程又は圧縮行程において第一燃料噴射弁１０５により噴射するようにすれば良い。

また、燃焼空燃比がリーンとされる場合において、機関排気系に配置されたＮＯ_X吸蔵還元触媒装置の再生処理又はＳ被毒回復処理のために、第一燃料噴射弁１０５により排気行程で燃料を噴射して、排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とするようにしても良い。

これらの均質燃焼において、第二燃料噴射弁１０６を省略して、第二燃料噴射弁１０６により噴射されるはずの燃料を第一燃料噴射弁１０５により吸気行程において噴射してプラズマ点火装置１００の先端部１００ａに衝突させるようにしても良い。

第一燃料噴射弁１０５により圧縮行程において燃料を噴射して気筒内に成層混合気を形成して着火燃焼させる成層燃焼、このような成層混合気を着火燃焼させて回りのリーン空燃比の均質混合気（第一燃料噴射弁１０５により吸気行程で噴射させる燃料により形成するか又は第二燃料噴射弁１０６による吸気同期又は非同期の燃料噴射により形成する）を火炎伝播により燃焼させる成層燃焼、又は、このような成層混合気を着火燃焼させて成層混合気の温度上昇及び圧力上昇により回りのリーン空燃比の均質混合気（第一燃料噴射弁１０５により吸気行程で噴射させる燃料により形成するか又は第二燃料噴射弁１０６による吸気同期又は非同期の燃料噴射により形成する）を自着火燃焼させるアシスト自着火燃焼等においては、プラズマ点火装置１００により成層混合気を確実に着火燃焼させなければならない。

このために、プラズマ点火装置１００の先端部１００ａの噴孔８の近傍には、図３及び図３のＢ矢視図である図５に示すように、衝突燃料の方向を噴孔から噴射されるプラズマジェットに沿うように変更する凹部９が形成されている。本実施形態において、凹部９は、図３の断面と平行な断面において円弧形状を有し、また、プラズマ点火装置の中心軸線を通り図３に垂直な面と平行な断面においても円弧形状を有し、図５に示すように二つの噴孔８の間に延在する長円形状又は楕円形状である。

こうして、図１の気筒内平面図である図２に示すように、第一燃料噴射弁１０５が、成層混合気を形成するための燃料Ｆ１を点火時期直前においてプラズマ点火装置１００の先端部１００ａの凹部９の中央に衝突するように噴射すると、燃料Ｆ１は凹部９への衝突後に左右に分離し、それぞれｆ１及びｆ２が凹部９の円弧断面形状に沿って、点火時期に各噴孔８から噴射されるプラズマジェットＪ１及びＪ２に沿うように方向を変更されて進行して、可燃混合気となる。それにより、プラズマジェットＪ１及びＪ２近傍に成層混合気が形成され、プラズマジェットＪ１及びＪ２により確実に着火燃焼させることができる。本実施形態において、凹部９の中央には接地電極３を露出させて接地電極３に燃料が衝突するようにしており、高温となる接地電極３も直接的に冷却することができる。

図７は本発明のプラズマ点火装置を備える内燃機関の第二実施形態を示す縦断面図である。第一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、プラズマ点火装置１００’は気筒上部略中心に配置されている。ピストン１０７’の頂面にはキャビティ１０７ａ’が形成され、第一燃料噴射弁１０５’は、成層混合気を形成するための燃料Ｆ２を点火時期直前においてピストン１０７’のキャビティ１０７ａ’内へ噴射する。

キャビティ１０７ａ’は、ピストン１０７’の平面図である図８に示すように、幅が徐々に狭められ、プラズマ点火装置１００の先端部１００ａの略真下に位置する円弧断面を有する終端壁１０７ｂ’で終端している。キャビティ１０７ａ’の底壁は円弧縦断面により終端壁１０７ｂ’に滑らかに接続されている。それにより、第一燃料噴射弁１０５’により吸気行程又は圧縮行程又は排気行程においてピストン１０７’のキャビティ１０７ａ’内へ燃料を噴射すれば、噴射燃料は、キャビティ１０７ａ’によって方向を変えられ、終端壁１０７ｂ’に沿って気筒上部略中心に配置されたプラズマ点火装置１００’の先端部１００ａ’へ導かれる。こうして噴射燃料を間接的にプラズマ点火装置１００’の先端部１００ａ’へ衝突させることにより噴孔が形成された先端部１００ａ’を良好に冷却することができる。

図９は、本実施形態の内燃機関に取り付けられたプラズマ点火装置１００’の縦断面図である。第一実施形態のプラズマ点火装置１００との違いについてのみ以下に説明する。本プラズマ点火装置１００’において、８’はチャンバ１と気筒内とを連通する例えば四つの噴孔であり、本実施形態においては、図９のＣ−Ｃ断面図である図１０に示すように、接地電極３’はチャンバ１内において９０度の角度間隔で周囲に形成された四つの切欠３ａ’が設けられ、四つの噴孔８’は、これら切欠き３ａ’の位置において絶縁体の筒状先端部２ａ’及びハウジング７’を貫通するように、プラズマ点火装置１００’の先端部１００ａ’に形成されている。プラズマジェットは、これら四つの噴孔８’から気筒上部周囲へ向けて斜め下方向にシリンダヘッド及び圧縮上死点近傍のピストン１０７’に衝突しないように噴射される。

第一燃料噴射弁１０５’から点火時期直前に成層混合気を形成するための燃料が噴射される場合において、プラズマ点火装置１００’の先端部１００ａ’の噴孔８’の近傍には、図９及び図９のＤ矢視図である図１１に示すように、衝突燃料の方向を噴孔から噴射されるプラズマジェットに沿うように変更する凹部９’が形成されている。本実施形態において、凹部９’は、図１１に示すように十字形状を有し、図９に示すように、十字を形成する二つの部分のそれぞれは、第一実施形態のプラズマ点火装置１００の先端部１００ａの凹部９と同じ断面形状とされている。

それにより、図７に示すように、第一燃料噴射弁１０５’が、成層混合気を形成するための燃料Ｆ２を、点火時期直前においてピストン１０７’の頂面のキャビティ１０７ａ’を介して間接的に、プラズマ点火装置１００’の先端部１００ａ’の凹部９’の中央に衝突するように噴射すると、燃料Ｆ２は凹部９’への衝突後に前後左右に分離し、それぞれｆ３からｆ６が十字形の凹部９’のそれぞれの円弧断面形状に沿って、点火時期に各噴孔８’から噴射されるプラズマジェットＪ３からＪ６に沿うように方向を変更されて進行して、可燃混合気となる。それにより、プラズマジェットＪ３からＪ６近傍に成層混合気が形成され、プラズマジェットＪ３からＪ６により確実に着火燃焼させることができる。ここで、図７には、左右方向に分離する燃料ｆ３及びｆ５と、これらに対応するプラズマジェットＪ３及びＪ５とは図示されているが、前後方向（図７に垂直な方向）に分離する燃料ｆ４及びｆ６と、これらに対応するプラズマジェットＪ４及びＪ６とは図示されていない。本実施形態においても、凹部９’の中央には接地電極３’を露出させて接地電極３’に燃料が衝突するようにしており、高温となる接地電極３’も直接的に冷却することができる。

第一実施形態及び第二実施形態において、前述したアシスト自着火燃焼の場合に、プラズマジェットにより着火燃焼させる成層混合気を形成するための点火時期直前の燃料噴射の直前に燃料を噴射することにより、プラズマジェットにより着火燃焼させない成層混合気を気筒内に形成するようにしても良い。この成層混合気は、自着火させる均質混合気より僅かにリッチ側の空燃比とされ、プラズマジェットによる成層混合気の着火燃焼により気筒内が温度上昇及び圧力上昇すると、均質混合気より先に自着火燃焼して、気筒内の温度及び圧力をさらに上昇させ、それにより、均質混合気を自着火燃焼させる。このように自着火させる成層混合気を形成すれば、その分は、均質混合気の燃料量を少なくすることができ、均質混合気の自着火に際しての騒音を低減することができる。

本発明によるプラズマ点火装置を備える内燃機関の第一実施形態を示す縦断面図である。図１の内燃機関の気筒内平面図である。図１の内燃機関に取り付けられたプラズマ点火装置の横断面図である。図３のＡ−Ａ断面図である。図３のＢ矢視図である。プラズマ点火装置の電源制御回路である。本発明によるプラズマ点火装置を備える内燃機関の第二実施形態を示す縦断面図である。図７の内燃機関のピストン平面図である。図７の内燃機関に取り付けられたプラズマ点火装置の横断面図である。図７のＣ−Ｃ断面図である。図７のＤ矢視図である。

符号の説明

１チャンバ
２、２’ 絶縁体
３、３’ 接地電極
４中心電極
８、８’ 噴孔
９、９’ 凹部
１００、１００’ プラズマ点火装置
１００ａ、１００ａ’ 先端部
１０５第一燃料噴射弁

Claims

プラズマを発生させるチャンバと気筒内とを連通する噴孔が先端部に形成されたプラズマ点火装置を備える内燃機関であって、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁が設けられ、前記燃料噴射弁は、前記プラズマ点火装置の前記先端部の前記噴孔の近傍に直接的に又は間接的に衝突するように燃料を噴射し、前記プラズマ点火装置の前記先端部の前記噴孔の近傍には、衝突燃料の方向を前記噴孔から噴射されるプラズマジェットに沿うように変更する凹部が形成され、前記燃料噴射弁は、成層混合気を形成するための燃料を前記先端部に形成された前記凹部に衝突するように点火時期直前に噴射することを特徴とするプラズマ点火装置を備える内燃機関。