JP5467219B2 - 内燃機関 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関における燃焼に用いられるガスを調製するガスの調製に関し、また、このガスの調製により調整されたガスを燃焼させる内燃機関に関する。
従来、内燃機関においては、燃料の改善にプラズマを利用する技術が試みられている。
例えば、特許文献１には、プラズマ電極を用いて燃料改質を行う内燃機関が開示されている。この内燃機関は、燃料を燃料改質容器に導入し、その中に設けたプラズマ電極によって燃料を改質し、インジェクタより排出する。
また、特許文献２には、排気再循環（EGR:Exhost Gas Recirculation）を利用した燃料改質機構を備えた内燃機関が開示されている。この内燃機関は、三元触媒から出た排気の一部に燃料を添加し、メッシュ状電極からなるプラズマリアクタによって、燃料を軽質化して、燃焼室に戻すようになっている。
特開２００７−０９７７８公報 特開２００５−９８２２６公報
特許文献１に記載された内燃機関においては、燃料改質室を別途設けなければならず、設置スペースが大きくなってしまうという問題が発生する。また、改質され燃焼しやすくなった燃料を貯蔵することは、安全性の観点から問題がある。加えて、実際に改質された燃料が燃焼に供されるまでの時間が長くかかり、せっかく付与された高い化学活性が損なわれるおそれがある。
特許文献２に記載の内燃機関においては、この内燃機関が機能するには、理論空燃比で運転しなければならない。これは、省資源化の観点からリーンバーン化が進む現在の内燃機関の技術動向に反する。また、メッシュ状電極は、ＥＧＲ流路の妨げとなり、給排気の効率を損ねる。
そこで、本発明は、前述の実情に鑑みて提案されるものであって、その目的は、プラズマを用いて、安全、かつ、効率よく、省資源化を達成することができる内燃機関を提供することにある。
上述の課題を解決するために、本発明に係る内燃機関は、プラズマを用いて燃料を改質するのではなく、プラズマを用いて、酸化剤である空気をより化学活性の高いものに改質し燃焼に供する。この内燃機関は、以下の構成のいずれか一を備えるものである。
〔構成１〕
燃焼室を開閉する吸気バルブを有する内燃機関であって、吸気バルブを駆動する駆動機構と、燃焼行程において燃焼に用いられるガスの存在領域内に配置されたプラズマ発生器とを備え、プラズマ発生器は、駆動機構によるバルブ駆動に応じて、吸気バルブの開閉状態と一意に対応するタイミングでプラズマを発生することを特徴とするものである。
〔構成２〕
燃焼室を開閉する排気バルブを有する内燃機関であって、排気バルブを駆動する駆動機構と、排気バルブを介して燃焼室に逆流し燃焼行程において燃焼に用いられるガスの存在領域内に配置されたプラズマ発生器とを備え、プラズマ発生器は、駆動機構によるバルブ駆動に応じて、排気バルブの開閉状態と一意に対応するタイミングでプラズマを発生することを特徴とするものである。
〔構成３〕
構成１を有する内燃機関において、プラズマを発生するタイミングは、駆動機構におけるバルブタイミング設定値に応じて決定する排気終了後から吸気開始前のタイミングであり、プラズマ発生器は、該タイミングでプラズマを生成することを特徴とするものである。
〔構成４〕
構成１を有する内燃機関において、バルブ実開度検出手段を備え、プラズマを発生するタイミングは、バルブ実開度検出手段の検出値に応じて決定され、プラズマ発生器は、該タイミングに応じてプラズマを生成することを特徴とするものである。
〔構成５〕
構成１乃至構成４のいずれか一を有する内燃機関において、プラズマ発生器は、燃焼行程において用いられるガスの存在領域に配置された放電電極と、放電電極に向けて該タイミングでＧＨｚ帯域の周波数の電磁波パルスを放射する電磁波放射源とを有することを特徴とするものである。
〔構成６〕
構成１乃至構成５のいずれか一を有する内燃機関において、電磁波パルスの持続時間は、概ね１マイクロ秒以下であることを特徴とするものである。
〔構成７〕
構成１乃至構成６のいずれか一を有する内燃機関は、燃焼室内において吸気と残留ガスとを混合する方式の内燃機関であって、プラズマ発生器は、吸気バルブの開放行程の開始後、吸気バルブの開放が開始されるまでの期間にプラズマを発生することを特徴とするものである。
〔構成７〕
構成１乃至構成７のいずれか一を有する内燃機関において、排気バルブ直後段より排気を取り込む排気再循環機構を備え、プラズマ発生器は、排気再循環機構内に配置され、吸気バルブが開放されている期間内にプラズマを発生することを特徴とするものである。
〔構成９〕
構成７を有する内燃機関において、排気再循環機構は、排気中の水を取り込むことを特徴とするものである。
〔構成１０〕
構成１乃至構成９のいずれか一を有する内燃機関において、スパークプラグ及びアンテナは、燃焼室の直上流に設置されており、プラズマの作用を受けた作動流体を燃焼室内に導入することを特徴とするものである。
〔構成１１〕
構成１乃至構成１０のいずれか一を有する内燃機関において、燃焼室には、吸気ポート、または、排気ポートが複数設けられており、スパークプラグ及びアンテナは、これらポートのそれぞれに対応して設置され、または、これらポートのうちの選ばれたものに対応して設置されていることを特徴とするものである。
〔構成１２〕
構成１乃至構成１１のいずれか一を有する内燃機関において、スパークプラグ及びアンテナは、複数設けられていることを特徴とするものである。
本発明に係る内燃機関においては、プラズマを用いて、内燃機関の既燃焼ガスが処理される。プラズマによる処理は、ガスに含まれる化学種、特に酸化剤の活性化を促す。活性化された化学種は不安定である。また、それらの中には、混合気中での生存時間が数ミリ秒程度しかないものもある。
吸気バルブの駆動状態に応じて、プラズマによる化学種の活性化を行うことで、吸気行程の最適なタイミングで効率よく活性化学種を生成し、既燃焼ガスを処理することができる。これは、燃焼に供されるガスの効率化、安全性の向上に資する。
放電電極により形成された放電プラズマに電磁波を照射すると、放電プラズマは、電磁波のエネルギを受けて成長拡大する。この方式では、流路全体にメッシュ電極などを設置しなくても、大規模なプラズマを得ることができる。すなわち、ガスの流路を妨げることなく、プラズマによる既燃焼ガスの処理を行うことができ、効率的である。
発生するプラズマが概ね１マイクロ秒以下であれば、プラズマが生成されている期間のうち多くの時間、プラズマはいわゆる非平衡状態となる。すなわち、電子温度とガス温度との間に乖離が生じる。非平衡状態のプラズマ（以下、「非平衡プラズマ」と称す）は、熱平衡状態のプラズマ（以下、「熱プラズマ」と称す）より、化学種の活性化効率が高い。特に非平衡プラズマを空気中で発生させると、オゾンやヒドロキシ（ＯＨ）ラジカルを大量発生できる。すなわち、この構成により、プラズマを用いて酸化剤を改質し、その活性を高めることができる。これは、燃焼の促進に資する。
また、いわゆる内部ＥＧＲ方式の内燃機関においては、残留ガスに大量の水分が含まれる。水分をプラズマで処理すると、ＯＨラジカルが発生する。吸気行程が始まる直前に残留ガス中の水分をプラズマで処理することにより、次の燃焼行程で燃焼に供されるガスにＯＨラジカルを混入させることができる。また、吸気バルブの開放直前であるため、バックファイアを防ぐことができ、安全である。
吸気バルブに燃料が付着するとき、又は付着した燃料が燃焼室内へ流入するとき、吸気バルブの質量が変動する。このタイミングでプラズマによる処理を行えば、活性の高い化学種により付着、又は流入する燃料を酸化・軽質化することができる。これにより、始動時など燃焼中に予期せず燃料過剰になるという事態に対処できる。または、吸気バルブに付着した燃料を利用して、ＥＧＲに類似の作用効果を奏することができる。
ＥＧＲで吸気に導入される排気には、多量の水が含まれている。この水からＯＨラジカルを生成し、燃焼に供することが可能になる。すなわち、この内燃機関においては、プラズマを用いた酸化剤の改質によって、効率よく燃焼を行うことができる。
すなわち、本発明は、プラズマを用いて、安全、かつ、効率よく、省資源化を達成することができる内燃機関を提供することができるものである。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係る内燃機関の構成を示す断面図である。
本発明の第１の実施形態に係る内燃機関は、図１に示すように、ピストン１とシリンダライナ２とエンジンヘッド３から構成される燃焼室２２を有する。
また、燃焼室２２には、燃料混合気を着火するスパークプラグ６と、燃焼室２２内の燃料混合気、又は既燃ガスにプラズマを発生させるアンテナ７とが設けられている。
燃焼室２２は、吸気バルブ４が開くことによって新気ガスが吸入され、排気バルブ５が開くことによって、既燃ガスが排出されるようになっている。これら吸気バルブ４及び排気バルブ５は、バルブ駆動装置８によって開閉操作される。
この燃焼室２２においては、ピストン１が上死点であっても、一定の空間の容積を持つため、既燃ガスの一部は、排気工程終了後も残留する。
制御装置（ＥＣＵ）１０１は、バルブ駆動装置８を通じて吸気バルブ４及び排気バルブ５が開閉するタイミングを制御し、コイル９及びイグナイタ１０を通じてスパークプラグ６が放電するタイミングを制御し、また、マイクロ波発生装置１１を通じてアンテナ７がマイクロ波を発生するタイミングを制御する。
図４は、本発明に係る内燃機関においてマイクロ波が発生されるタイミングを示すタイムチャートである。
図４に示すように、アンテナ７は、排気終了後から吸気開始前のタイミングでマイクロ波を発生し、燃焼室２２に残留する既燃ガスを活性化する。
マイクロ波の発生タイミングは、制御装置（ＥＣＵ）１０１に設定されているバルブ制御パラメータに応じて決定される。
〔第２の実施形態〕
図２は、本発明の第２の実施形態に係る内燃機関の構成を示す断面図である。
本発明の第２の実施形態に係る内燃機関は、図２に示すように、吸気バルブリフト量検出器２０１を有する。吸気バルブリフト量検出器２０１は渦電流型変位計、レーザードップラー変位計であってよい。この吸気バルブリフト量検出器２０１は、吸気バルブ４のリフト量（開状態）を検出して、検出信号を制御装置（ＥＣＵ）１０１に送る。
図４に示すように、アンテナ７は、排気終了後から吸気開始前のタイミングでマイクロ波を発生し、燃焼室２２に残留する既燃ガスを活性化する。
制御装置（ＥＣＵ）１０１において、マイクロ波の発生タイミングは、吸気バルブリフト量検出器２０１の出力に応じて決定される。これにより、バルブリフト量の固体差、経年変化、異常リフトによる制御性の低下を防止することができる。
〔第３の実施形態〕
図３は、本発明の第３の実施形態に係る内燃機関の構成を示す断面図である。
第３の実施形態に係る内燃機関は、図３に示すように、排気再循環機構を有する、いわゆる外部ＥＧＲ、すなわち、燃焼排気を吸気ポート２１側にフィードバックすることにより燃焼温度を低下させる方式の内燃機関である。燃焼排気は、排気ポート２３より、導管３１を介して、吸気ポート２１側にフィードバックされる。この導管３１の流量は、開閉弁３２により制御される。この開閉弁３２は、制御装置（ＥＣＵ）１０１により制御される。
その他の構成は、第１の実施形態における構成と同様である。
この実施形態においては、既燃ガス濃度が高くなるため、吸気開始後であってもプラズマ発生を行ってもよい。なお、排気再循環機構は、排気中の水を取り込むものであってもよい。
以上のように、本発明においては、プラズマにより既燃ガスを効率的に活性化し、いずれも酸化力の高い化学種を含むものとなる。その作用により、燃焼行程における混合気の燃焼が促進され、燃焼が安定化する。このようにして、本発明は、出力の向上、低エミッション化に資する。
〔その他変形例等〕
上述の第１及び第２の実施形態では、燃焼室内にスパークプラグ６及びアンテナ７を設置したものを例示したが、本発明はそのようなものには限定されない。燃焼行程において燃焼に用いられるガスが存在する領域内であれば、スパークプラグ６及びアンテナ７は種々のものが想定される。例えば、燃焼室の直上流にスパークプラグ６及びアンテナ７を設置することにより、プラズマの作用を受けた作動流体を燃焼室内に導入するようにしてもよい。また、燃焼室直上流または燃焼室直下流にスパークプラグ６及びアンテナ７を配置し、その配置された位置でこれらを駆動することにより、燃焼室内でプラズマを発生させるようにしてもよい。
また、内燃機関の中には、排気ポートから排出される排気を燃焼室に逆流させることによりＥＧＲと同等の作用を得るものがある。このような内燃機関においては、スパークプラグ６及びアンテナ７を排気ポート側に配置してもよい。なお、ここでの排気ポート側は、逆流する排気の存在しうる領域であって、必ずしも燃焼室内であることを要しない。その領域は、排気ポートより下流側であってもよい。排気を逆流させる場合、排気バルブは、吸気工程初期においても開放されている。そのため、この方式で排気を燃焼室に導入する場合は、吸気バルブではなく排気バルブのリフト量を検出し、そのリフト量に応じてプラズマを発生させればよい。スパークプラグ６及びアンテナ７の制御は、吸気バルブと排気バルブの違いこそあれ、実質的には上述の各実施形態と同様である。
逆流する排気に対し処理を行う構成は、上述の各実施形態に係るプラズマによる処理のための構成と併設可能である。したがって、内燃機関は、これら両方の構成を備えていてもよい。逆流する排気に対する処理と吸気またはＥＧＲに対する処理とは、同時に行われてもよく、また、所定の時間差をもって行われてもよい。処理のタイミングについては、内燃機関の運転状態及びそれに伴う吸排気バルブの開閉タイミングに応じて適宜選択すればよい。
また、上述の各実施形態及び変形例において、燃焼室に吸気ポート、または、排気ポートが複数設けられた内燃機関である場合、スパークプラグ６及びアンテナ７は、それらポートに対しそれぞれ対応するように設置されてもよく、また、ポートのうち選ばれたものに対応するように設置されていてもよい。
なお、配置されるスパークプラグ６及び７の数量は、複数であってもよい。また、アンテナの形状または方式については種々のものが利用可能であり、それらについては、上述の実施形態に限定されるものではない。
内燃機関自体の燃焼は、火花点火には限定されず、圧縮着火、自着火により燃焼を開始するものであってもよい。このような場合、スパークプラグ６は、必ずしも着火を行うのに必要な投入エネルギに満たないエネルギで放電を行ってもよい。
上述の実施形態及び変形例では、プラズマ発生器としてスパークプラグ６を例示したが、本発明はそのようなものには限定されない。スパーク放電に限らず、周知の種々の手法及び装置によりプラズマを発生させることが可能である。適切にプラズマを発生させるものであれば、その発生手法、方式、装置については問わない。
また、電磁波の照射に用いるアンテナは、例えば、ホーンアンテナに代表される開口アンテナであってもよい。ガスの流路の形状及び材質について許容されるならば、ガスの流路自体が導波管、または、開口アンテナを兼ねる構成となってもよい。また、アンテナは、電磁波の発生源に接続されたエレメントからなる輻射器と、輻射器からの電磁波を反射する反射器とを有する構成であってもよい。また、アンテナは、輻射器と輻射器から輻射される電磁波の拠りしろとなるベインまたは共振エレメントを有する構成であってもよい。
電磁波の照射目標となる領域の数と、アンテナの数との関係については、種々の組合せが想定される。電磁波の照射目標となる一の領域に対し、複数のアンテナまたはアンテナの複数のエレメントから電磁波を照射するようにしてもよい。また、例えば３／４波長以上の電気長を有するエレメントを備えたアンテナのように空間上に複数の強電場の領域を形成するものであれば、アンテナに対し電磁波の照射目標となる領域を強電場の領域の数に応じて複数設定してもよい。さらに、プラズマの契機となる荷電粒子をそれら設定された複数の領域において準備するようにし、複数の領域で同時にプラズマを形成するようにしてもよい。
本発明の第１の実施形態に係る内燃機関の構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る内燃機関の構成を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る内燃機関の構成を示す断面図である。 本発明に係る内燃機関においてマイクロ波が発生されるタイミングを示すタイムチャートである。
符号の説明
１ ピストン
２ シリンダライナ
３ エンジンヘッド
４ 吸気バルブ
５ 排気バルブ
６ スパークプラグ
７ アンテナ
８ バルブ駆動装置
９ コイル
１０ イグナイタ
１１ マイクロ波発生装置
２２ 燃焼室
１０１ 制御装置（ＥＣＵ）

Claims (8)

  1. 燃焼室を開閉する吸気バルブ及び排気バルブを有する内燃機関であって、
    前記吸気バルブ及び排気バルブを駆動する駆動機構と、
    プラズマ発生器と
    を備え、
    前記プラズマ発生器は、電磁波パルスを放射する電磁波放射源及び放電電極を備え、前記駆動機構によるバルブ駆動に応じて、前記吸気バルブ及び排気バルブの開閉状態に対応し、前記排気バルブによる排気工程から前記吸気バルブによる吸気工程への移行期間のうち、前記吸気バルブのリフト量が０を超える時点から、前記排気バルブのリフト量が０となる時点までのバルブオーバーラップのタイミングでプラズマを発生することにより既燃ガスを活性化すること
    を特徴とする内燃機関。
  2. 前記吸気バルブ及び排気バルブの開閉状態を、バルブ実開度検出手段により検出する
    ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
  3. 前記電磁波放射源は、前記放電電極に向けて電磁波パルスを放射する
    ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関。
  4. 前記プラズマ発生器は、非平衡プラズマを発生させる
    ことを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の内燃機関。
  5. 前記排気バルブは、排気の一部を燃焼室内に逆流させる
    ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の内燃機関。
  6. 前記吸気バルブ及び排気バルブは、複数設けられており、
    前記プラズマ発生器は、前記バルブのぞれぞれに対応して設置され、または前記バルブのうちの選ばれたものに対応して設置されている
    ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の内燃機関。
  7. 排気バルブ直後段より排気を取り込む排気再循環機構を備えている
    ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の内燃機関。
  8. 前記プラズマ発生器が、燃焼室の直上流に設置されている
    ことを特徴とする請求項７に記載の内燃機関。
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