JP5439681B2 - Deposit removing device and combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、燃焼機関に付着するデポジットの除去装置に関し、特に、プラズマを用いたデポジットの除去装置及び燃焼機関に関する。 The present invention relates to a device for removing deposits adhering to a combustion engine, and more particularly to a device for removing deposits using plasma and a combustion engine.
内燃機関をはじめとする燃焼機関の内部には、燃料や潤滑油、それらに混入する添加物や不純物等の混入物、または、それら燃料、潤滑油、混入物の不完全燃焼生成物等が付着し堆積することがある。この堆積物はデポジットと呼ばれる。デポジットの過度の堆積は、燃焼機関の部品の性能や排出物性状に悪影響を及ぼす。その結果、想定通りの運転ができなくなり、排気中の炭化水素量の増加、燃焼機関の振動増大、燃費の低下などの問題を誘引する。特にインジェクタ、点火プラグ等に付着するデポジットは、燃焼機関の運転に深刻な影響を及ぼす。デポジットは、分解洗浄により除去することは可能であるが、燃焼機関を分解することなく、さらには、運転中も随時除去することが望ましい。 Combustion engines such as internal combustion engines adhere to fuel, lubricant, contaminants such as additives and impurities, or incomplete combustion products of such fuel, lubricant, contaminants, etc. May accumulate. This deposit is called deposit. Excessive deposit build-up adversely affects the performance and emissions characteristics of combustion engine components. As a result, the operation as expected cannot be performed, and problems such as an increase in the amount of hydrocarbons in the exhaust, an increase in vibration of the combustion engine, and a decrease in fuel consumption are induced. In particular, deposits adhering to injectors, spark plugs and the like have a serious influence on the operation of the combustion engine. The deposit can be removed by decomposing and cleaning, but it is desirable to remove the deposit without disassembling the combustion engine and even during operation.
デポジットの除去技術として、洗浄液による洗浄、触媒等のコーティング、強制的なノッキング、光触媒の利用等の従来の一般的な技術の他に、プラズマを用いてデポジットを除去する技術がある。例えば、特許文献1に記載の燃料噴射装置は、燃料噴射装置の弁体の先端に放電電極を設け、放電電極と噴孔周縁との間に非熱平衡のプラズマを生じさせるデポジット除去機構を備えている。 In addition to conventional general techniques such as cleaning with a cleaning liquid, coating with a catalyst, forced knocking, use of a photocatalyst, etc., there are techniques for removing deposits using plasma. For example, the fuel injection device described in Patent Document 1 includes a deposit removal mechanism that provides a discharge electrode at the tip of the valve body of the fuel injection device and generates non-thermal equilibrium plasma between the discharge electrode and the periphery of the injection hole. Yes.
特許文献1に記載のデポジット除去機構は、放電電極と噴孔周縁との間でコロナ放電、または、ストリーマ放電を行うよう構成されている。一般に、燃焼機関の作動流体の流路内は大気圧以上の高圧となる。雰囲気が高圧になるほど電子及びイオンの平均自由工程が短くなるため、高圧雰囲気下でコロナ放電、または、ストリーマ放電を成立させるためには、電極間距離を接近させる必要がある。したがって、このデポジット除去機構の構成部材のうち少なくとも放電電極は、デポジットの生じる領域に接近させなければならない。 The deposit removing mechanism described in Patent Document 1 is configured to perform corona discharge or streamer discharge between the discharge electrode and the nozzle hole periphery. Generally, the inside of the flow path of the working fluid of the combustion engine has a high pressure equal to or higher than atmospheric pressure. Since the mean free path of electrons and ions becomes shorter as the atmosphere becomes higher, it is necessary to make the distance between the electrodes closer in order to establish corona discharge or streamer discharge under a high pressure atmosphere. Therefore, at least the discharge electrode of the constituent members of the deposit removing mechanism must be brought close to the region where the deposit occurs.
デポジットの生じる領域は、燃料、潤滑油、またはそれらの不完全燃焼生成物が飛来し付着する領域である。その近傍の部材もまた、それらの飛来及び付着を免れない。さらに、このような部材自体が燃料等の流れを停留させ、燃料、潤滑油、またはそれらの不完全燃焼生成物の蓄積を促す虞がある。それ故に特許文献1に記載のデポジット除去機構は、デポジットの生成を促進しつつそれを除去するという非効率的な機構となる。 The area where deposits occur is the area where fuel, lubricant, or their incomplete combustion products fly and adhere. The nearby members are also subject to their flying and sticking. Further, such a member itself may stop the flow of fuel or the like, and promote the accumulation of fuel, lubricating oil, or their incomplete combustion products. Therefore, the deposit removing mechanism described in Patent Document 1 is an inefficient mechanism that removes the deposit while promoting the generation of the deposit.
本発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、プラズマを用いた適切かつ効率的なデポジットの除去装置及び燃焼機関を提供しようとするものである。 The present invention has been proposed in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide an appropriate and efficient deposit removal apparatus and combustion engine using plasma.
前述の課題を解決し、その目的を達成するために、本発明に係るデポジットの除去装置は、以下のいずれか一の構成を有するものである。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a deposit removing apparatus according to the present invention has any one of the following configurations.
〔構成1〕
燃焼機関内のデポジットの除去装置であって、デポジットの堆積する第1空間に連通する第2空間内への荷電粒子の供給手段と、電磁波を照射し第2空間の電場強度を高めることにより荷電粒子にエネルギを与えプラズマを形成させる電磁波放射手段と、第2空間内のプラズマ中の荷電粒子の加速手段とを備え、加速手段は、第2空間内のプラズマを第1空間へ導入しデポジットをプラズマに曝露させることを特徴とするものである。
[Configuration 1]
A device for removing deposits in a combustion engine, which is charged by supplying charged particles into a second space communicating with the first space where deposits are deposited, and by irradiating electromagnetic waves to increase the electric field strength of the second space. Electromagnetic radiation means for energizing particles to form plasma, and acceleration means for charged particles in the plasma in the second space. The acceleration means introduces the plasma in the second space into the first space and deposits it. It is characterized by being exposed to plasma.
荷電粒子の供給手段が供給する荷電粒子は、電磁波照射手段が照射する電磁波の曝露を受け、第2空間内でいわゆる電子雪崩を誘起する。すなわち、荷電粒子が電磁波のエネルギを受けて加速し第2空間内の物質と衝突する。衝突を受けた物質は電離し荷電粒子となる。この連鎖により、第2空間にプラズマが生成する。このような荷電粒子の供給と電磁波照射との組合せにより、容易にプラズマが始動し、拡大成長する。その結果、デポジット除去に十分な量の荷電粒子を準備される。加速手段は、プラズマを第1空間に導入する。第1空間に堆積したデポジットは、導入されたプラズマの曝露を受ける。これにより、デポジットはエッチングされる。または、デポジットはプラズマ内の高い酸化力の化学種と反応し分解する。 Charged particles supplied by the charged particle supply means are exposed to electromagnetic waves emitted by the electromagnetic wave irradiation means, and induce a so-called electronic avalanche in the second space. That is, the charged particles receive the electromagnetic energy and accelerate to collide with the substance in the second space. The impacted material is ionized and becomes charged particles. Due to this chain, plasma is generated in the second space. By such a combination of charged particle supply and electromagnetic wave irradiation, plasma is easily started and expanded. As a result, an amount of charged particles sufficient for deposit removal is prepared. The acceleration means introduces plasma into the first space. Deposits deposited in the first space are exposed to the introduced plasma. Thereby, the deposit is etched. Alternatively, the deposit reacts and decomposes with high oxidizing power species in the plasma.
〔構成2〕
構成1を有するデポジットの除去装置であって、荷電粒子の供給手段は、燃焼機関の着火手段を用いて荷電粒子を供給することを特徴とするものである。
[Configuration 2]
The deposit removing apparatus having the configuration 1, wherein the charged particle supply means supplies charged particles using an ignition means of a combustion engine.
燃焼機関においては、着火方式に違いこそあれ、燃焼を始動するために着火手段を備える。この着火手段は、燃料を着火させるための諸動作により、またはその結果として行われる燃焼により、荷電粒子を発生させる。この荷電粒子を第2空間に供給することにより、デポジット除去のための一連の動作が始動する。 In a combustion engine, regardless of the ignition method, ignition means is provided to start combustion. The ignition means generates charged particles by various operations for igniting the fuel or by combustion performed as a result. By supplying the charged particles to the second space, a series of operations for deposit removal is started.
〔構成3〕
構成1または構成2を有するデポジットの除去装置であって、加速手段は、電場、磁場、及び、圧力場のいずれかの制御により、プラズマ中の荷電粒子を加速させることを特徴とするものである。
[Configuration 3]
A deposit removing apparatus having Configuration 1 or Configuration 2, wherein the acceleration means accelerates charged particles in the plasma by controlling any one of an electric field, a magnetic field, and a pressure field. .
電場、磁場、圧力場の制御によってプラズマをデポジットの付着する部分に導入することにより、デポジットの付着する部分からデポジットの除去装置の各構成要素を遠ざけることができる。 By introducing the plasma into the deposit depositing part by controlling the electric field, the magnetic field, and the pressure field, each component of the deposit removing device can be moved away from the deposit depositing part.
〔構成4〕
構成1乃至構成3のいずれか一を有するデポジットの除去装置を搭載した燃焼機関であって、第1空間に隣接する面が誘電体によりその周囲の部材から電気的に絶縁されることを特徴とするものである。
[Configuration 4]
A combustion engine equipped with a deposit removing device having any one of Configurations 1 to 3, wherein a surface adjacent to the first space is electrically insulated from surrounding members by a dielectric. To do.
第1空間に隣接する部材が誘電体からなるものであると、第1空間に接する部材壁面での電場の拘束条件が緩和する。そのため、第1空間の近くまで強い電場強度の領域を形成される。すなわち、第2空間が第1空間に接近する。第2空間が第1空間に接近する分、加速手段による荷電粒子の加速に要するエネルギが低減する。 When the member adjacent to the first space is made of a dielectric, the electric field restraint condition on the member wall surface in contact with the first space is relaxed. Therefore, a region having a strong electric field strength is formed up to the vicinity of the first space. That is, the second space approaches the first space. Since the second space approaches the first space, the energy required for acceleration of the charged particles by the acceleration means is reduced.
〔構成5〕
請求項1乃至請求項3のいずれか一を有するデポジットの除去装置を搭載した燃焼機関であって、少なくともデポジットの除去装置の稼働時に、電磁波放射手段により放射される電磁波の定在波を形成しかつその腹となる空間が第2空間と重複するよう選ばれた形状の共振室を形成することを特徴とするものである。
[Configuration 5]
A combustion engine equipped with a deposit removing device having any one of claims 1 to 3, wherein a standing wave of an electromagnetic wave radiated by an electromagnetic wave radiation means is formed at least when the deposit removing device is in operation. And the resonance chamber of the shape chosen so that the space used as the stomach may overlap with the 2nd space is formed.
共振構造を利用することにより、第2空間における強電場の領域を形成が容易になる。 By using the resonance structure, it becomes easy to form a region of a strong electric field in the second space.
構成1によれば、デポジットの堆積する第1空間とは別の第2空間でプラズマを形成し、そのプラズマを第1空間に導入することにより、プラズマを用いてデポジットを除去できる。第1空間内にプラズマを形成するための部材を配置することを要しないため、デポジットの生成を促進しつつそれを除去するというような非効率的な機構を採ることなくプラズマによるデポジット除去を実現できる。 According to Configuration 1, by forming plasma in a second space different from the first space where deposits are deposited and introducing the plasma into the first space, the deposit can be removed using the plasma. Since it is not necessary to arrange a member for forming plasma in the first space, it is possible to remove deposits by plasma without adopting an inefficient mechanism such as removing deposits while promoting deposit generation. it can.
構成2によれば、デポジット除去のための機能を燃焼機関が予め備える着火手段によって実現するため、部品点数を削減できる。または、デポジット除去のための機構を用いて着火または燃焼促進を行うことが可能になる。 According to the structure 2, since the function for deposit removal is realized by the ignition means provided in advance in the combustion engine, the number of parts can be reduced. Alternatively, ignition or combustion promotion can be performed using a mechanism for deposit removal.
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。なお、以下の説明においては、同一の部品には同一の符号を付してある。同一の符号を付した部品の構造、機能及び動作はいずれも同一である。したがって、同一の符号を付した部品についてはその説明を繰返さない。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following description, the same parts are denoted by the same reference numerals. The structure, function, and operation of the parts with the same reference numerals are the same. Therefore, the description of components having the same reference numerals will not be repeated.
〔第1の実施形態〕
図1は、第1の実施形態の概略構成及びその燃焼機関への適用例におけるインジェクタのデポジット除去への適用例を示す図である。図1に示すように、燃焼機関100は筒内直噴型のディーゼルエンジンであって、所定方向(図1上では上下方向、以下、この方向を「縦方向」と呼ぶ)に伸びる直線を法線とする各断面(以下、この断面を「横断面」と呼ぶ)形状が概ね一様にその直線とその断面との交点を中心とする円形をなす壁面を有するシリンダブロック101を備える。シリンダブロック101は、この壁面によりシリンダCを規定する。ディーゼルエンジン100はさらに、ガスケット104を介してシリンダCの一方の端部を覆うようにシリンダブロック101に組み付けられシリンダCにそれぞれ導通する複数の貫通孔が設けられたシリンダヘッド102と、横断面形状がシリンダCの横断面形状に対応する概ね円形の部分を有しその部分でシリンダヘッド101のシリンダCを形成する壁面(以下、この壁面を「シリンダ内壁」と呼ぶ)と摺接するようにシリンダC内に往復自在に挿入されたピストン103とを備えており、シリンダブロック101、シリンダヘッド102及びピストン103が燃焼室CCを形成している。なお、シリンダブロック101及びシリンダ102は、電気的には筐体接地される。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of the first embodiment and an application example for removing deposits of an injector in an application example to a combustion engine. As shown in FIG. 1, the
ピストン103のシリンダヘッド102側には、ピストンチャンバと称する窪みが設けられており、その反対側は、コネクティングロッドを介してこのディーゼルエンジン100の出力軸であるクランクシャフトに連結される。コネクティングロッド及びクランクシャフト、並びにそれらの連結機構については周知であり、ここでは説明を行わない。
A recess called a piston chamber is provided on the
シリンダヘッド102の貫通孔のうち少なくとも1つは、図示しない排気管に連通するよう設けられており、この貫通孔が吸気ポートINを形成している。シリンダヘッド102にはさらに、吸気ポートINからこのシリンダヘッド102の外壁まで貫通するガイド孔が設けられている。このガイド孔には棒状のバルブステム121が往復自在に嵌められ、バルブステム121の吸気ポートIN側には傘型のバルブヘッド122が設けられている。バルブステム121とバルブヘッド122は、吸気ポートINの燃焼室側端部を開閉する吸気バルブ120を構成している。
At least one of the through holes of the
シリンダヘッド102の貫通孔のうち別の少なくとも1つは、図示しない排気管に連通するよう設けられており、この貫通孔が排気ポートEXを形成している。シリンダヘッド102にはさらに、排気ポートEXからこのシリンダヘッド102の外壁まで貫通するガイド孔が設けられている。このガイド孔には棒状のバルブステム126が往復自在に嵌められ、バルブステム126の排気ポートEX側には傘型のバルブヘッド127が設けられている。バルブステム126とバルブヘッド127は、排気ポートEXの燃焼室側端部を開閉する排気バルブ125を構成している。吸気バルブ120と排気バルブ125とはそれぞれ、カムまたはソレノイド等を有する図示しない動弁機構により駆動する。
At least one other through hole of the
シリンダヘッド102の貫通孔のうちさらに別の1つには、インジェクタ130が設置されている。インジェクタ130の燃焼室CCを臨む先端部分131にはノズルが設けられており、内部に図示しない電磁弁が組み込まれている。インジェクタ130は、図示しない油送管、蓄圧容器及びサプライポンプを介して燃料タンクから燃料の導入を受けるよう接続されており、油送管、蓄圧容器及びサプライポンプ、並びにこれらを制御するECU(エンジン制御ユニット)、EDU(駆動ユニット)とともに、燃料噴射システムを構成している。燃料噴射システム自体の詳細の動作については周知であり、ここでは説明しないが、この燃料噴射システムが駆動すると、先端部分131のノズルから燃料を噴射する。なお、本実施形態においては、インジェクタ130の少なくとも先端部分131は金属等の導電体からなるものである。
In yet another one of the through holes of the
ノズルから燃料が噴射されると、燃料が飛散し先端部分131に付着する。または燃料噴射後、燃料がノズルに残留する。このようにして付着または残留した燃料が最終的にはデポジットとなる。このデポジットを除去するために、このディーゼルエンジン100は、以下に説明する構成を有する。
When fuel is injected from the nozzle, the fuel scatters and adheres to the
シリンダヘッド102の別の貫通孔に、高圧導体及び接地導体を誘電体で被覆してなる放電用線路140を挿入しシリンダヘッド102に接合する。放電用線路140の燃焼室CC側の端部には、高圧電極及び接地電極からなる電極対150を設け、他方側の端部は、高圧電極と接地電極との間の作動流体を絶縁破壊させるのに十分な電圧を発生する放電用電圧発生装置160を接続する。
A
放電用線路140及び電極対150は、燃焼室CC内の環境に耐えうるだけの熱的耐久性及び機械的耐久性を備えていることが望ましい。そのため、放電用線路140及び電極対150は、具体的には内燃機関用のスパークプラグであってもよい。この場合プラグボディ及びプラグボディが螺入されるシリンダヘッド102が放電用線路140の接地導体となる。放電用線路140及び電極対150として点火プラグを用いる場合、その形式は、一般的な単極ギャップ型のものであってもいわゆる多極プラグであってもよい。また、沿面放電タイプやセミ沿面放電タイプと称されるものであってもよい。放電用電圧発生装置160としては、具体的には自動車用の12V電源に接続された点火コイルを用いてもよく、その他の種々の形式の電圧発生装置を適宜選択して用いてもよい。放電用電圧装置160が発生する電圧は、直流電圧、交流電圧のいずれであってもよい。
It is desirable that the
そして、シリンダヘッド102の別の貫通孔に、電磁波伝送線路141を挿入しシリンダヘッド102に接合する。電磁波伝送線路141の燃焼室CC側の端部にはアンテナ151を設け、他方側の端部は、所定周波数の電磁波を発生する電磁波発生装置161を接続する。
Then, the electromagnetic
電磁波発生装置161は、電力の供給を受けて発振し所定周波数の電磁波を発生する発振器とその電源とを備える。発振器は、帰還型、弛緩型のいずれであってもよい。また、いわゆる高周波発電機であってもよい。なお、2.45GHz発振のマグネトロンは、安価でかつ高出力であり発振器として好適である。電源は、使用する発振器に合わせて適宜選択すればよい。例えばインバータ方式のパルス電源装置を用いてもよい。電磁波伝送線路141は、同軸線路、平行線路、導波管のいずれの形式のものであってよい。図1においては、アンテナ151としてモノポールアンテナを例示しているが、電磁波伝送線路141及びアンテナ151は、電磁波発生装置161が発生する電磁波を良好に伝送し放射するものであればよく、その形状・形式等については適宜選択すればよい。具体的にはアンテナ151は、線状アンテナ、面状アンテナ、立体アンテナ、進行波アンテナ、EHアンテナ、磁界アンテナ、誘電体アンテナのいずれであってもよく、アンテナアレイを構成するものであっても、ダイバーシチ方式のアンテナを構成するものであってもよい。また、アンテナ151への給電方式は電流給電であっても、電圧給電であってもよい。
The
さらに、シリンダヘッド102は、先端部分131が燃焼室CC内に所定の長さLだけ突出するようにこのインジェクタ130を支持・接合する。インジェクタ130の先端部分131先端からシリンダヘッド102までの距離Lは、先端部分131の部材が電磁波発生装置161の発生する電磁波と同じ周波数の電磁波を受けて励振するのに十分な長さになるよう選ばれる。先端部分131は、シリンダヘッド102を介して接地されていてもよい。なお、電極対150及びアンテナ151はいずれも、インジェクタ130からの噴霧が直撃しない位置に配置されることが望ましい。
Further, the
放電用電圧発生装置160及び電磁波発生装置161は、所定の入力信号170を受ける制御装置171に接続する。制御装置171は、具体的にはCPU(中央演算ユニット)、並びに、メモリ及び不揮発性記憶装置等、並びに、信号の入出力インタフェースを備えたコンピュータであり、メモリ及び不揮発性記憶装置等に記憶されたコンピュータプログラムに従い動作し、入力信号170を演算処理して放電用電圧発生装置160に対する制御信号と、電磁波発生装置161に対する制御信号とを発生し出力する機能を備える。入力信号170は、手動操作に対応する操作信号であってもよく、ECUからの指令信号であってもよい。または、ディーゼルエンジン100若しくはそれを搭載したシステムに設置された各種センサの出力信号であってもよい。センサは、例えば圧力センサ、空燃比センサ、温度センサ、クランク角センサ等であってもよく、光学式のセンサであってもよい。これらは直接的にデポジットの付着を検知するものであってもよく、また、種々の検知結果に基づきデポジットの付着を間接的に検知し、または、推定するものであってもよい。
The
以上の構成において、放電用線路140、電極対150及び放電用電圧発生装置160からなる電気系統(以下、この系統を「放電系」と呼ぶことがある)は、制御装置171による制御に従い動作し電極対150の高圧電極−接地電極間で放電により電子、イオン等の荷電粒子を生じさせる荷電粒子の供給器を構成する。電磁波伝送線路141、アンテナ151及び電磁波発生装置161からなる電気系統(以下、この系統を「電磁波放射系」と呼ぶことがある)は、制御装置171による制御に従い動作しアンテナ151から電磁波を放射することにより少なくとも放電の生じる部分を包含する空間に所定値以上の強度の電場を形成し荷電粒子にエネルギを与えプラズマを形成させる電磁波照射器を構成する。電磁波放射系とインジェクタ130の先端部分131とは、電磁波放射系による電磁波の放射を受けて先端部分131が励振することにより、プラズマの形成される空間内の荷電粒子にエネルギを与えプラズマを先端部分131まで導入する加速器を構成する。
In the above configuration, the electric system including the
制御装置171が入力信号170を受けると、制御装置171は、放電系が稼働した状態に対応する制御信号を放電用電圧発生装置160に与える。制御信号を与えるタイミングは、燃料噴射開始前が望ましい。なお、ディーゼルエンジン100の燃焼室CCは、ピストンの往復によって容積、形状が変化する。燃焼室CCがアンテナ151から放射される電磁波の定在波を形成しかつその腹となる空間が第2空間と重複するような共振室を形成するタイミングで制御信号を与えるようにすると、強電場の領域を形成が容易になる。
When the
放電用電圧発生装置160はこの制御信号に応答して、放電用線路140を介して電極対150に対し電圧印加を開始する。この電圧印加により電極対150では放電が開始し、荷電粒子が発生する。
In response to this control signal,
制御装置171はさらに、放電により荷電粒子が存在している期間中に電磁波放射系が電磁波の放射を開始するよう、電磁波放射系が稼働した状態に対応する制御信号を電磁波発生装置161に与える。この際、制御装置171は、放電系及び電磁波放射系の動作時間遅れを考慮したタイミングで、制御信号を電磁波発生装置161に与えることが望ましい。電磁波発生装置161は、この制御信号に応答して発振を開始し、電磁波伝送路141に電磁波を印加する。印加された電磁波は、電磁波伝送路141内を進行し、アンテナ151より放射する。
The
放電により生じた荷電粒子は、アンテナより放射された電磁波の照射を受け、いわゆる電子雪崩を誘起する。すなわち、荷電粒子が電磁波のエネルギを受けて加速し第2空間内の物質と衝突する。衝突を受けた物質は電離し荷電粒子となる。この連鎖により、第2空間にプラズマが生成する。このような荷電粒子の供給と電磁波照射との組合せにより、容易にプラズマが始動し、拡大成長する。その結果、デポジット除去に十分な量の荷電粒子を準備される。 The charged particles generated by the discharge are irradiated with electromagnetic waves radiated from the antenna and induce a so-called electronic avalanche. That is, the charged particles receive the electromagnetic energy and accelerate to collide with the substance in the second space. The impacted material is ionized and becomes charged particles. Due to this chain, plasma is generated in the second space. By such a combination of charged particle supply and electromagnetic wave irradiation, plasma is easily started and expanded. As a result, an amount of charged particles sufficient for deposit removal is prepared.
ただし、燃焼室C内のシリンダボディ101及びシリンダヘッド102付近の領域は、シリンダボディ101及びシリンダヘッド102が接地されているために電場が拘束される。そのためこの領域では電場強度が弱く、電子雪崩が生起する可能性は低い。インジェクタ130の表面は、直流的な観点で言えば接地されている。しかし、先端部分131が突出しているため、上述のとおりこの部分は電磁波を受けて励振する。そのため先端部分131付近の空間及び先端部分131の部材表面においては、強い強度の電場が形成される。
However, since the
電磁波照射により生じたプラズマ内の荷電粒子、特に電子がこの強い電場の領域に到達すると、その荷電粒子はエネルギを受けて加速し、電子雪崩が生起する。結果として、先端部分131のデポジットの付着した部分までプラズマが形成される。デポジットは、このプラズマの曝露を受ける。これにより、デポジットはエッチングされる。または、デポジットはプラズマ内の高い酸化力の化学種と反応し分解する。
When charged particles, particularly electrons, in the plasma generated by electromagnetic wave irradiation reach the region of this strong electric field, the charged particles are accelerated by receiving energy, and an electron avalanche occurs. As a result, a plasma is formed up to the deposit portion of the
なお、本実施形態では、インジェクタ130の先端部分131を励振させるために、先端部分131を突出させたが、励振させるための構造はこのようなものには限定されない。使用される電磁波の周波数に応じて、この部分が励振するよう、その形状、構造、材質及び他の部材との接合形態等を適宜選択すればよい。
In the present embodiment, the
〔第2の実施形態〕
第1の実施形態では、インジェクタ130の先端部分131の部材は、アンテナ151から放射される電磁波により励振したが、インジェクタ130の先端部分131にも別途電磁波給電を行い、先端部分131の部材を励振させてもよい。この場合、インジェクタ130の先端部分131の部材は、電磁波発生装置161から給電を受けてもよい。また、電磁波発生装置161とは別に電磁波の発生源と伝送路とを設け、これらから給電を受けるようにしてもよい。
[Second Embodiment]
In the first embodiment, the member of the
〔第3の実施形態〕
さらに、インジェクタ130の先端部分131の部材に給電を行う場合、この部材がアンテナ151の機能を兼ねるようにしてもよい。また、放電用線路140の高圧側の線路に電磁波を重畳させ、電極対150の高圧側の電極をアンテナ151として用いてもよい。
[Third Embodiment]
Furthermore, when supplying power to the member of the
〔第4の実施形態〕
上述の第1の実施形態〜第3の実施形態では、デポジットの付着する部分の部材を励振させて荷電粒子を加速することにより、デポジットの付着部分までプラズマを導入したが、本発明はこのような実施形態には限定されない。本実施形態においては、デポジットの付着する部分とプラズマの形成領域の少なくとも一部との間に電位差が生じるよう電場を形成することにより、プラズマをデポジットの付着する部分まで導入する。
[Fourth Embodiment]
In the first to third embodiments described above, the plasma is introduced to the deposited portion of the deposit by exciting the charged particles by exciting the member of the deposited portion. It is not limited to such an embodiment. In this embodiment, the plasma is introduced to the portion where the deposit adheres by forming an electric field so that a potential difference is generated between the portion where the deposit adheres and at least a part of the plasma formation region.
図2は、本実施形態の概略構成及びその筒内直噴型のディーゼルエンジンにおけるインジェクタのデポジット除去への適用例を示す図である。図2に示すように、本実施形態においては、電磁波伝送線路141と電磁波発生装置161との間に、この両者を電界結合するコンデンサ200を設け、コンデンサ200の電磁波伝送線路141側の極板よりアンテナ151側に直流電源201を接続する。そして、インジェクタ130の先端部分131はシリンダヘッド102を介して接地する。なお、本実施形態においては、インジェクタ130の先端部分131が第1の実施形態のようにシリンダヘッド102からLだけ突出していることを必要としない。
FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of the present embodiment and an application example thereof for removing deposits of an injector in an in-cylinder direct injection type diesel engine. As shown in FIG. 2, in the present embodiment, a
本実施形態において、放電による荷電粒子の供給と電磁波放射によるプラズマの形成及び拡大とは、いずれも第1の実施形態と同様に行われる。この状態で直流電源201が直流電圧を印加すると、インジェクタ130の先端部分131とアンテナ151との間に、定常的に電位差が生じる。この電位差により、プラズマ中の荷電粒子は分極するよう加速される。電子など負に帯電した荷電粒子はインジェクタ130の先端部分131をはじめとする接地された部材に向けて加速される。正に帯電した荷電粒子はアンテナに向かって加速される。その結果、プラズマはインジェクタ130の先端部分131まで到達し、この部分に付着するデポジットは、プラズマ中の荷電粒子に曝露される。このように本実施形態では、デポジットの付着する部分と電極との間で直接的に放電を生じさせるのではなく、予め生成しておいたプラズマに対し電圧を印加する。そのため、直流電源201は、アンテナ151とデポジットの付着部分との間の作動流体が直接に絶縁破壊するほど強い直流電場を形成することを要しない。その分、プラズマを形成するための構成要素とデポジットの付着部分との距離を長くとっても、印加電圧を低く抑えることができる。
In this embodiment, the supply of charged particles by discharge and the formation and expansion of plasma by electromagnetic radiation are both performed in the same manner as in the first embodiment. When the
なお、本実施形態においては、インジェクタ130の先端部分131とアンテナ151との極性が逆であっても良い。また、本実施形態では、電位差を形成するために直流電源201を用いて直流電圧を印加したが、交番電圧、または、交流電圧を印加するようにしてもよい。
In the present embodiment, the polarities of the
〔第5の実施形態〕
上述した各実施形態では、電場形成によりプラズマをデポジットの付着部分まで導入した。しかし、本発明はこのようなものには限定されない。本実施形態においては、インジェクタ130付近の作動流体の流れによってプラズマをデポジットの付着部分に吹き付けて導入する。
[Fifth Embodiment]
In each of the above-described embodiments, plasma is introduced up to the deposit adhesion portion by forming an electric field. However, the present invention is not limited to this. In the present embodiment, plasma is blown and introduced to the deposited portion by the flow of the working fluid in the vicinity of the
図3は、本実施形態の概略構成図である。図3に示すように、本実施形態では、電極対150とアンテナ151とを囲うように小容量のキャビティ300を設ける。キャビティ300を形成する壁面には、インジェクタ130の先端部分131を臨む位置に、燃焼室CCとキャビティ300内部の空間とを連通するよう開口302を設ける。なお、本実施形態においても第4の実施形態と同様、インジェクタ130の先端部分131が第1の実施形態のようにシリンダヘッド102からLだけ突出していることを必要としない。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of the present embodiment. As shown in FIG. 3, in this embodiment, a small-
本実施形態では、キャビティ300とプラズマの形成までの期間にキャビティ300内に流入する作動流体とが、以下のようにプラズマの加速器として作用する。
In the present embodiment, the
本実施形態において、放電による荷電粒子の供給と電磁波放射によるプラズマの形成及び拡大とは、いずれも第1の実施形態と同様に行われる。この動作において投入されるエネルギの一部はキャビティ300内の作動流体の加熱に供される。キャビティ300内の作動流体が加熱されると、キャビティ300の内部の圧力が上昇し、キャビティ300の内外で圧力差が生じる。キャビティ300の内部と外部とは開口302により連通しているため、キャビティ300内からキャビティ外への流れが生じ、この流れによりキャビティ300内に発生したプラズマは、開口302から噴出する。開口302はインジェクタ130の先端部分131に向けて設けられているため、噴出したプラズマはインジェクタ131の先端部分に向けて流れる。その結果、プラズマは先端部分131のデポジットの付着する部分に導入され、この部分に付着するデポジットは、プラズマ中の荷電粒子に曝露される。
In this embodiment, the supply of charged particles by discharge and the formation and expansion of plasma by electromagnetic radiation are both performed in the same manner as in the first embodiment. Part of the energy input in this operation is used for heating the working fluid in the
以上のように本実施形態では、プラズマ発生時に作動流体にエネルギを熱エネルギとして利用し、プラズマの加速を行う。そのため、エネルギ効率が高い。 As described above, in the present embodiment, the plasma is accelerated by using the energy as the heat energy in the working fluid when the plasma is generated. Therefore, energy efficiency is high.
なお、本実施形態では、小容量のキャビティを用いて圧力差を発生させることによりプラズマを加速し輸送した。しかし、本発明はこのようなものには限定されない。燃焼室CC内に生じるスキッシュ流若しくはスワール若しくはタンブル等の流れ、圧力振動、衝撃波等、ディーゼルエンジン100の動作中に生じる作動流体の流れや乱れをプラズマの加速・輸送に利用してもよい。
In the present embodiment, plasma is accelerated and transported by generating a pressure difference using a small-capacity cavity. However, the present invention is not limited to this. The flow and turbulence of the working fluid generated during the operation of the
〔第6の実施形態〕
上述した第1の実施形態から第4の実施形態では、電場形成によりプラズマをデポジットの付着部分まで導入した。しかし、本発明はこのようなものには限定されない。例えば、インジェクタ130のノズルよりシリンダヘッド102側を囲むようにコイルを設置し、このコイルに磁場を発生させることにより磁気共振型加速器を構成するようにしてもよい。その他、磁場を用いた種々のプラズマの閉じ込め手法または加速手法を用いてプラズマをデポジットの付着する部分に導入してもよい。
[Sixth Embodiment]
In the first to fourth embodiments described above, the plasma is introduced up to the deposit adhesion portion by forming an electric field. However, the present invention is not limited to this. For example, a magnetic resonance accelerator may be configured by installing a coil so as to surround the
〔第7の実施形態〕
第1の実施形態では、アンテナ151から放射する電磁波を用いてインジェクタ130の先端部分131を励振させ、デポジットの付着する部分の電場強度を高めることにより、プラズマをこの部分に導入したが、デポジットが付着する部分から接地された部材までの絶縁距離を長くとることによって、この部分の電場強度を維持させることもできる。例えば、インジェクタ130の先端部分131をセラミックス等の誘電体で形成するようにしてもよく、また、先端部分131の表面を誘電体で被覆してもよい。また例えば、インジェクタ130自体、または、その先端部分131の部材をシリンダヘッド102から電気的に絶縁してもよい。
[Seventh Embodiment]
In the first embodiment, plasma is introduced into this portion by exciting the
〔その他変形例等〕
上述の各実施形態では、放電によりプラズマ形成の契機となる荷電粒子を準備し供給したが、荷電粒子の供給はこのようなものには限定されない。例えば、フィラメントやセラミックヒータ、グロープラグのようなヒータによる加熱で熱電子を放出させてもよい。火打石やマッチなど衝撃や摩擦により熱または荷電粒子を放出させてもよい。ガスタービン機関等の再着火及び保炎に用いられるパイロットバーナや、火薬、導火線等を用いて火炎を形成するようにしてもよい。レーザ光等を用いた着火装置も荷電粒子の供給に利用できる。ディーゼルエンジン100での圧縮着火により燃焼室CC内に形成される火炎もまた、荷電粒子の供給源として利用できる。このように、燃焼機関における着火、燃焼に伴う動作により、荷電粒子が発生する。この荷電粒子を契機としてプラズマを形成するようにしてもよい。また逆に、上述した荷電粒子の供給器または電磁波放射器を、着火、または、着火若しくは燃焼の支援に用いてもよい。またこのような荷電粒子の供給器をデポジットの付着する位置のごく近傍に設置してもよい。例えばインジェクタのノズル間の部材表面にヒータ等を設置してもよい。ただし、この場合は、荷電粒子の供給器はインジェクタからの燃料の飛沫を浴びないよう選ばれた適切な位置に配置することが望ましい。
[Other variations, etc.]
In each of the above-described embodiments, charged particles that trigger plasma formation are prepared and supplied by discharge, but supply of charged particles is not limited to this. For example, thermoelectrons may be emitted by heating with a heater such as a filament, a ceramic heater, or a glow plug. Heat or charged particles may be released by impact or friction such as flint and matches. You may make it form a flame using the pilot burner used for reignition and flame holding, such as a gas turbine engine, a gunpowder, a lead wire. An ignition device using laser light or the like can also be used for supplying charged particles. A flame formed in the combustion chamber CC by compression ignition in the
上述した荷電粒子の供給器、電磁波放射器、及び、加速器はいずれも必ずしもシリンダヘッド102に設置することを要しない。シリンダボディ101、ピストン103、ガスケット104、吸気バルブ120、排気バルブ125などに設置してもよく、また、ディーゼルエンジン100のその他の部材に設置してもよい。
The charged particle supplier, electromagnetic wave emitter, and accelerator described above are not necessarily installed in the
上述した各実施形態では、直噴方式のエンジンのインジェクタ130の先端部分131に付着したデポジットを除去した。しかし、本発明はこのようなものには限定されない。インジェクタは、PFI(Port Fuel Injection)方式や副室燃焼方式のエンジンに適用してもよい。
In each of the above-described embodiments, the deposit attached to the
上述の各実施形態では、燃焼機関としてディーゼルエンジンを例示したが、本発明はこのようなものには限定されない。ガソリンエンジンをはじめとする火花点火式の内燃機関、HCCI(予混合圧縮自着火)エンジン、SCCI(成層圧縮自着火)エンジン等の自着火エンジンであってもよい。また、ピストン式の内燃機関に限らずロータリエンジン、ガスタービン機関、ラム機関等の内燃機関であってもよい。また、内燃機関に限らす外燃機関の燃焼器や炉などにも適用可能である。また、除去対象のデポジットは、インジェクタのノズルに付着するものには限定されない。点火プラグ、ピストンヘッドとシリンダとの境界部、本発明の適用対象となる燃焼機関において作動流体が流通するいずれの部分においても、本発明は適用可能である。これらの場合、荷電粒子の供給器、電磁波放射器及び加速器の配置及び構成は、適用対象となる燃焼機関及び除去対象のデポジットの付着位置に応じて適宜選択すればよい。 In each above-mentioned embodiment, although the diesel engine was illustrated as a combustion engine, this invention is not limited to such a thing. It may be a self-ignition engine such as a spark-ignition internal combustion engine such as a gasoline engine, an HCCI (premixed compression auto-ignition) engine, or an SCCI (stratified compression auto-ignition) engine. Further, the engine is not limited to the piston type internal combustion engine, and may be an internal combustion engine such as a rotary engine, a gas turbine engine, or a ram engine. Further, the present invention is applicable to a combustor or a furnace of an external combustion engine that is not limited to an internal combustion engine. Further, the deposit to be removed is not limited to the deposit attached to the nozzle of the injector. The present invention is applicable to any part where the working fluid flows in the spark plug, the boundary between the piston head and the cylinder, and the combustion engine to which the present invention is applied. In these cases, the arrangement and configuration of the charged particle supplier, electromagnetic wave emitter, and accelerator may be appropriately selected according to the application position of the combustion engine to be applied and the deposit position to be removed.
なお、今回開示した実施形態は単なる例示であって、本発明の範囲が前述の各実施形態のみに制限されるわけではない。本発明の範囲は、明細書及び図面の記載を参酌した上で、特許請求の範囲の各請求項によって示され、そこに記載された文言と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。 The embodiment disclosed this time is merely an example, and the scope of the present invention is not limited to only the above-described embodiments. The scope of the present invention is indicated by each claim in the claims after considering the description of the specification and the drawings, and includes all modifications within the meaning and scope equivalent to the words described therein. It is a waste.
本発明は、燃焼機関のデポジット除去に限らず、プラズマ洗浄一般、特に常時汚れが付着する分解洗浄が困難な部材のプラズマ洗浄に適用可能である。 The present invention is not limited to removing deposits from a combustion engine, but can be applied to plasma cleaning in general, and particularly to plasma cleaning of members that are constantly contaminated and difficult to disassemble and clean.
100 燃焼機関(ディーゼルエンジン)
101 シリンダブロック
102 シリンダヘッド
103 ピストン
104 ガスケット
120 吸気バルブ
125 排気バルブ
140 放電用線路
141 電磁波伝送線路
150 電極対
151 アンテナ
160 放電用電圧発生装置
161 電磁波発生装置
171 制御装置
200 コンデンサ
201 直流電源
300 キャビティ
100 Combustion engine (diesel engine)
101
Claims (4)
デポジットの堆積する第1空間に連通する第2空間内への荷電粒子の供給手段と、
電磁波を照射し前記第2空間の電場強度を高めることによりこの空間に存在する荷電粒子にエネルギを与えプラズマを形成させる電磁波放射手段と、
前記第2空間内のプラズマ中の荷電粒子を加速し、前記第1空間へ導入してデポジットに曝露させる加速手段と
を備え、
前記加速手段は、前記電磁波放射手段が放射する電磁波により前記インジェクタの先端部分を励振させる
ことを特徴とするデポジットの除去装置。 A device for removing deposits in a combustion engine comprising a fuel injector,
Means for supplying charged particles into the second space communicating with the first space in which deposits are deposited;
Electromagnetic wave radiation means for irradiating electromagnetic waves and increasing the electric field strength of the second space to energize charged particles existing in the space to form plasma;
Accelerating means for accelerating charged particles in the plasma in the second space, introducing them into the first space and exposing them to deposits;
The deposit removing apparatus according to claim 1, wherein the accelerating means excites the tip of the injector by the electromagnetic wave radiated by the electromagnetic wave radiating means.
前記第1空間に隣接する面が誘電体によりその周囲の部材から電気的に絶縁される
ことを特徴とする燃焼機関。 A combustion engine equipped with the deposit removing device according to claim 1 or 2,
A combustion engine characterized in that a surface adjacent to the first space is electrically insulated from surrounding members by a dielectric.
少なくとも前記デポジットの除去装置の稼働時に、前記電磁波放射手段により放射される電磁波の定在波を形成しかつその腹となる空間が前記第2空間と重複するよう選ばれた形状の共振室を形成する
ことを特徴とする燃焼機関。 A combustion engine equipped with the deposit removing device according to claim 1 or 2,
At least when the deposit removing device is in operation, a standing wave of the electromagnetic wave radiated by the electromagnetic wave radiating means is formed, and a resonance chamber having a shape selected so that the antinode is overlapped with the second space is formed. A combustion engine characterized by
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