JP5137778B2 - 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。マグネトロンにより燃焼室内にプラズマを生成する場合、マイクロ波を放射するアンテナが必要になる。アンテナとして用いることができるものとしては、例えばビーム型アンテナがある。このビーム型アンテナを燃焼室に設ける場合、燃焼室の壁面に貫通孔をあけなければならない。

しかしながら、燃焼室に外部に通じるような貫通孔はあけることができない。このため、ビーム型アンテナのために設ける貫通孔に対しては、誘電体を充填して貫通孔を密閉している。このように、誘電体を貫通孔に充填した場合、誘電体が燃焼室の壁面とほぼ面一になるようにするので、燃焼室に露出する誘電体先端面に燃焼により生じる煤つまり炭素が付着することがある。この場合、誘電体を通過するマイクロ波が炭素に吸収され、所望のマイクロ波出力を得られないことが生じた。

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、高周波発生装置が出力する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、電磁波を燃焼室内まで導く電磁波供給路が燃焼室内側の端部を誘電体で閉鎖されてシリンダヘッドに設けられてなり、誘電体は、機関の運転中は所定温度を上回る温度に維持されることを特徴とする。

このような構成によれば、電磁波を燃焼室内まで導く電磁波供給路の端部を閉鎖する誘電体を、機関の運転中には所定温度を上回る温度に維持するので、炭素の付着を抑制することが可能になる。したがって、燃焼室内に供給される電磁波の吸収を最小限に抑えることが可能である。

以上の構成において、具体的には、誘電体が、燃焼室内に面する表面側に、通過する電磁波に反応して発熱する加熱層を、その燃焼室内側表面を被覆されて備えているものが挙げられる。このような構成によれば、電磁波が電磁波供給路から供給されることにより、加熱層が発熱して所定温度を上回る温度に維持され、その熱により誘電体の燃焼室内に面する表面への炭素の付着を抑えられる。

本発明は、以上説明したような構成であり、電磁波を燃焼室内まで導く電磁波供給路の端部を閉鎖する誘電体を、機関の運転中には所定温度を上回る温度に維持するので、炭素の付着を抑制することができる。したがって、燃焼室内に供給される電磁波の吸収を最小限に抑えることことができる。

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、吸気ポート２の開口３及び排気ポート４の開口５が、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ヶ所に開口するものである。すなわち、このエンジン１００は、シリンダブロック７に取り付けられ、燃焼室６の天井部分を形成しているシリンダヘッド８には、吸気側と排気側とにそれぞれカムシャフト９、１０が取り付けてある。シリンダヘッド８の吸気ポート２は、カムシャフト９が回転することにより往復作動する吸気弁１１により、また排気ポート４は、カムシャフト１０が回転することにより往復作動する排気弁１２によりそれぞれ開閉されるものである。そして、燃焼室６の天井部分には、点火プラグ１に加えて、プラズマを生成するための電磁波であるマイクロ波を燃焼室６内に供給する電磁波供給路１３が設けてある。

電磁波供給路１３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及び出力時期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導波管に接続してある。すなわち、電磁波供給路１３は、シリンダヘッド８の壁面を貫通する貫通孔からなり、その燃焼室６側の給電端部１４は、誘電体である閉鎖部材１５で閉鎖してある。

この実施形態にあっては、給電端部１４を閉鎖する閉鎖部材１５は、図２に示すように、誘電体損失の高い、例えば薄膜状の炭素素材１６を加熱層として、誘電体損失の低い高誘電率の誘電体例えばセラミック１７、１８で挟む構造のものである。この場合、給電端部１４の先端近傍までをセラミック１７で閉鎖し、そのセラミック１７の燃焼室６側端面に炭素素材１６を一体的に取り付け、さらにその炭素素材１６の燃焼室６側端面にセラミック１８を一体的に取り付けて、閉鎖部材１５を形成するものである。セラミック１８は、炭素部材１６を被覆して、炭素部材１６が燃焼室６に露出することを防止するものである。閉鎖部材１５は、電磁波供給路１３の給電端部１４を完全に密閉するものである。なお、この閉鎖部材１５では、炭素素材１６を使用したが、高誘電体損失の素材であれば適用することができる。

このような構成において、点火プラグ１はエンジン１００のそれぞれの気筒に対して取り付けられる。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、火花放電とほぼ同時あるいはその直後にマイクロ波により高周波電界を発生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。

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。

この実施形態にあっては、閉鎖部材１５の内部に炭素部材１６を用いているので、炭素部材１６に吸収される電力を上乗せした電力のマイクロ波を出力するものである。

以上のようにして、エンジン１００を運転している間は、高圧交流発生装置から供給されるマイクロ波を、電磁波供給路１３を介して燃焼室６内に供給すると、その給電端部１４の閉鎖部材１５は、マイクロ波が通過することで炭素素材１６が反応し、その誘電体損失により発熱する。これにより、炭素素材１６に一体になっている先端側のセラミック１８が加熱される。この場合に、エンジン１００の運転が継続されることにより、セラミック１８は煤がつきにくい所定温度を上回る温度となり、その後もマイクロ波を燃焼室６に供給することでその温度に維持される。したがって、セラミック１８に煤が付着することが抑制され、良好にマイクロ波を燃焼室６に供給することができる。又、この実施形態では、セラミック１８により炭素素材１６を被覆していることにより、炭素素材が露出し、その炭素素材に煤が付着して炭素の層が増加することにより、マイクロ波電力が低下することを抑制することができる。

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、先端部分が二層構造の閉鎖部材を説明したが、炭素以外の誘電体損失の高い単一の誘電体により形成する閉鎖部材であってよい。

また、上述の実施形態の閉鎖部材１５のような二層構造にしない閉鎖部材である場合は、閉鎖部材としての誘電体１９を、その先端部分２０のみが燃焼室６の内壁面から突出するように、電磁波供給路１３に取り付けるものであってもよい。すなわち、図３に示すように、誘電体１９の先端部分２０は、燃焼行程毎の燃焼ガスにより加熱される。この一方で、誘電体１９は燃焼室６の内壁面から突出していることにより、誘電体１９の熱が燃焼室６の内壁面つまりシリンダヘッド８に対して断熱された状態になっている。このため、突出している誘電体１９の先端部分２０は、シリンダヘッド８により冷却されにくく、所定温度を上回る温度に維持されることになる。したがって、誘電体１９に煤が付着することを抑制することができる。

さらに、このような断熱構造にとしては、誘電体１９の先端部分２０の周囲に、図４に示すように、シリンダヘッド８との接触をなくすべく間隙２１を形成するものであってもよい。このように、誘電体１９の先端部分２０を取り囲んで間隙２１を形成することにより、その間隙２１が先端部分２０とシリンダヘッド８とを断熱することになる。したがって、加熱された誘電体１９の先端部分２０における熱がシリンダヘッド８に伝播することがなく、よって、誘電体１９はエンジン１００の運転中は所定温度を上回る温度に維持することができる。

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。

本発明の一実施形態を適用するエンジンの要部を拡大して示す断面図。 同実施形態の電磁波供給路の先端部分を拡大して模式的に示す断面図。 本発明に関連した内燃機関の電磁波供給路の先端部分を拡大して模式的に示す断面図。 本発明に関連した他の内燃機関の電磁波供給路の先端部分を拡大して模式的に示す断面図。

符号の説明

１…点火プラグ
６…燃焼室
８…シリンダヘッド
１３…電磁波供給路
１４…給電端部
１５…閉鎖部材
１６…炭素素材
１７…セラミック
１８…セラミック
１９…誘電体
２１…間隙

Claims (1)

1. 高周波発生装置が出力する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、
   電磁波を燃焼室内まで導く電磁波供給路が燃焼室内側の端部を誘電体で閉鎖されてシリンダヘッドに設けられてなり、
   誘電体は、機関の運転中は所定温度を上回る温度に維持され、
   誘電体が、燃焼室内に面する表面側に、通過する電磁波に反応して発熱する加熱層を、その燃焼室内側表面を被覆されて備えている火花点火式内燃機関。

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