JP5106444B2 - 火花点火式内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼室内にプラズマを生成させ、プラズマと点火プラグによる火花放電とにより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。

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。

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。

特開２００７‐３２３４９号公報

ところで、例えば大気圧下など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。上述の特許文献１のもののように、プラズマ雰囲気中で点火を実施すると、プラズマにより着火が強化されることで、燃焼が急激に燃焼室内に拡大する。このことは、燃焼が良好になることを意味するが、着火後にプラズマが存在すると、そのプラズマによりさらに燃焼速度が上昇して、過度に急激な燃焼となることがある。

クランク機構を用いた内燃機関の場合、このような過度に急激な燃焼は、所期のトルクを得られないことがある。また、内燃機関の運転状況によっては点火時期を遅角し燃焼を緩慢な状態とさせる場合があるが、着火後にプラズマが存在すると緩慢な燃焼が起こらないという問題がある。このような過度に急激な燃焼を抑制するためには、着火後にプラズマの生成を停止すればよい。ところが、マグネトロンを断続して発振、停止するときの応答速さは、自動車用内燃機関の行程速さや運転状況が変化する速さに比べて格段に遅いため、マグネトロンを制御して、プラズマを断続的に生成する構成にすることは、困難が生じた。

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。

すなわち、本発明の火花点火式内燃機関は、電磁波により燃焼室内に生成されるプラズマと点火プラグによる火花放電とを反応させて混合気に着火する火花点火式内燃機関であって、電磁波の放射部を、点火時期を遅角する場合に、ピストンが電磁波の放射を遮る燃焼室の位置に設けてなることを特徴とする。

このような構成によれば、点火時期を遅角させていない場合、点火時には電磁波の放射部はピストンにより電磁波の放射を遮られることがない。従って、電磁波により燃焼室内にプラズマが生成される。この後、ピストンが、点火時期を遅角させる場合の作動位置に達すると、ピストンにより電磁波の放射が遮られる。従って、電磁波の放射によるプラズマの生成が停止し、過度に急激な燃焼を抑制することが可能になる。

また、緩慢な燃焼状態で内燃機関を運転する必要があり点火時期を上死点付近に遅角させる場合、点火時には電磁波の放射部はピストンにより遮られている。従って、燃焼室内にプラズマの生成が行われないため、所期の緩慢な燃焼状態を実現することができる。

このような構成にあって、運転状態に応じて、電磁波の放射を遮り得るようにするには、電磁波の放射部が、機関回転速度に応じて異なる位置に設けられる複数の放射端を備えるものが好ましい。

本発明は、以上説明したような構成であり、ピストンの作動により電磁波の放射を抑制することにより、火花放電とプラズマとの反応を制御することができ、従って効率よく過度に急激な燃焼を抑制することができる。

本発明の実施形態の断面図。 本発明の実施形態において放射部が塞がれる場合の断面図。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

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）形式のものである。エンジン１００は、シリンダブロック２とシリンダヘッド３とを備えてなり、シリンダブロック２は、ピストン４が往復作動するシリンダボア５を備え、シリンダヘッド３は燃焼室６を備える。シリンダヘッド３には、吸気ポート７と排気ポート８とが形成してあり、吸気ポート７と排気ポート８とは、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ヶ所で燃焼室６に通じるように開口するものである。吸気ポート７は吸気弁９により閉鎖され、吸気カムシャフト１０が回転することにより吸気弁７が作動して開放され、排気ポート８は排気弁１１により閉鎖され、排気カムシャフト１２が回転することにより排気弁１１が作動して開放されるものである。そして、シリンダブロック２のシリンダヘッド３に近い位置には、プラズマを生成するための電磁波であるマイクロ波を、シリンダボア５を介して燃焼室６に放射する放射部１３が設けてある。

放射部１３は、シリンダブロック２を貫通してシリンダボア５に達する貫通孔１３ａと、貫通孔１３ａ内に配置されるアンテナ１３ｂと、アンテナ１３ｂを包み込んで貫通孔１３ａ内部に貫通孔１３ａを密封するまで充填される誘電体１３ｃとで構成される。この放射部１３は、ピストン４が上死点に達する際に、ピストン４によりシリンダボア５側端部である放射端１３ｄが塞がれるように配置される。すなわち、放射端１３ｄの位置は、通常運転時の所定のクランク角度だけ進角された点火時期では、その点火時期において塞がれることのない位置に設定される。つまり、この位置は、点火時期が所定のクランク角度に対応するクランク角度まで遅角される点火時期においては、図２に示すように、ピストン４により閉鎖される位置である。なお、この場合、進角された点火時期とは、圧縮工程においてピストン４が上死点に至るまでのクランク角のうち放射端１３ｄがピストン４により塞がれないクランク角における点火時期であり、遅角される点火時期とは圧縮工程においてピストン４の頂面が放射端１３ｄを通過後の点火時期である。なお、膨張行程の初期において点火する場合も遅角される点火時期に含まれる。

放射端１３ｄは、シリンダボア５の内面と面一もしくはわずかに凹んでいる。アンテナ１３ｂは、図示しない高周波発生装置、すなわちマグネトロンとそのマグネトロンの出力を制御する制御回路を備える高圧交流発生装置から出力されるマイクロ波を導く同軸ケーブルに接続してある。

このような構成において、放射部１３は、エンジン１００のそれぞれの気筒に対して上述した要領で設けられ、点火に際してプラズマを生成するためにマイクロ波を放射するものである。このエンジン１００は、燃焼室６内の混合気に点火プラグ１を用いて着火する場合に、点火プラグ１の火花放電を燃焼室６内に生成するプラズマと反応させることにより、点火プラグ１の火花放電をプラズマと反応させない場合の火花放電に比較して、大きくしている。

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、火花放電と放射部１３から放射されるマイクロ波による高周波電界を重畳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。

具体的には、点火プラグ１による火花放電が高周波電界中でプラズマになり、火炎が大きくなる。

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、高周波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、飛躍的に火炎が大きくなるものである。なお、火花放電終了後も電磁波による高周波電界を印加し続けることで、上述のプラズマ化する際に発生する電子やラジカルやイオンが振動し、連鎖的に他の原子やイオンに衝突するため、プラズマ状態を維持することが可能である。

この結果、高周波電界と反応することにより増大した火花放電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。

このような構成では、進角された点火時期の場合、その点火時期においてプラズマが発生した後、ピストン４が上死点に達する手前から上死点を通過し、さらにピストンの頂面が放射端１３ｄの位置よりも下がる位置に対応するクランク角度の位置に達するまで、ピストン４が放射部１３の放射端１３ｄを閉鎖するので、マイクロ波の放射が遮断される。このため、火花放電時から放射端１３ｄがピストン４で閉鎖されるまではマイクロ波によるプラズマが生成維持されるものの、放射端１３ｄが閉鎖されて後は、プラズマが生成されない。従って、上述したように初期燃焼が安定して高い燃焼速度で燃焼が拡大した後は、プラズマがない状態で燃焼が進行するので、過剰に燃焼を良好にすることを抑制することができる。

また、ピストン頂面が放射端１３ｄの位置に達した後に点火時期を設定する、つまり点火時期を遅角する場合、点火時にはピストン４で放射端１３ｄが閉鎖されているため、マイクロ波は燃焼室６に放射されない。従って、上述したような着火領域の拡大や初期燃焼の安定、高い燃焼速度での燃焼の拡大がないので、点火時期の遅角に対応した緩やかな燃焼にすることができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。

上述の実施形態においては、放射部１３がアンテナ１３ｂを備えるものを説明したが、放射部１３を構成する貫通孔１３ａを、マイクロ波を案内する導波管として機能させ、誘電体１３ｃ内部に埋め込むアンテナを省略するものであってよい。従って、このような放射部１３は、貫通孔１３ａと、その内部に充填される誘電体１３ｃとで構成するものである。

又、上述の実施形態では、放射部１３を一カ所のみに設けるものを説明したが、エンジン回転速度に応じて異なる位置において機能するように、燃焼室６からの距離が異なるシリンダボア５の位置に複数設けるものであってもよい。すなわち、この場合、通常の運転における点火時期において閉鎖されない位置に設けると共に、その位置からピストン４が上死点に達するまでの区間において、エンジン回転速度に応じて進角される点火時期に対応して、それらの点火時期では閉鎖されない位置に設けるものである。

上述の実施形態では高周波発生装置としてマグネトロンを備えるものを説明したが、マグネトロンに代えて、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。

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。

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。

１…点火プラグ
４…ピストン
６…燃焼室
１３…放射部
１３ｄ…放射端

Claims (2)

1. 電磁波により燃焼室内に生成されるプラズマと点火プラグによる火花放電とを反応させて混合気に着火する火花点火式内燃機関であって、
   電磁波の放射部を、点火時期を遅角する場合に、ピストンが電磁波の放射を遮る燃焼室の位置に設けてなる火花点火式内燃機関。
2. 電磁波の放射部が、機関回転速度に応じて異なる位置に設けられる複数の放射端を備える請求項１記載の火花点火式内燃機関。