JP5578092B2 - 内燃機関の点火装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の点火装置に関し、特に、電磁波を利用して燃焼室内の混合気の点火を行う点火装置に関する。

内燃機関の点火装置として、数ＧＨｚの周波数を有するマイクロ波などの電磁波を用いて、燃焼室内の混合気の点火を行う点火装置が知られている。下記の特許文献１には、ピストンの頂面に対向する位置にマイクロ波放射アンテナが設けられた点火装置が開示されている。マイクロ波放射アンテナからマイクロ波を燃料室内に放射して、燃焼室内の混合気の点火を行う。特許文献１に記載の点火装置は、マイクロ波を燃焼室内に効率良く伝送するために、混合気の誘電率を制御して、燃焼室内の混合気の共振周波数をマイクロ波の共振周波数に一致させるようにしている。

また、下記の特許文献２には、燃焼室内で燃焼させる燃料ガスを改質する改質器が開示されている。この改質器においては、マイクロ波放射器から容器内にマイクロ波を放射し、プラズマ放電によって容器内の燃料ガスを改質している。容器内には、マイクロ波の電界強度を局所的に高めるための放電用電極が設けられている。

特開２００７−１１３５７０号公報 特開２００９−９７４１９号公報

内燃機関においては、燃焼効率を向上させることが望まれている。燃焼効率の向上を図るためには、燃焼室内の広範囲で放電を行うことにより火炎伝播を促進して、希薄燃焼を行うことが考えられる。

上記の特許文献１には、マイクロ波を燃焼室内に効率良く伝送するための技術が開示されているが、燃焼室内のマイクロ波の電界強度を高めて広範囲に高電界を形成することについては開示されていない。また、上記の特許文献２には、マイクロ波の電界強度を局所的に高めるための放電用電極が開示されているが、広範囲に高電界を形成することについては開示されていない。

本発明の目的は、広範囲で放電が可能な内燃機関の点火装置を提供することである。

本発明は、燃焼室内の混合気の点火を行う内燃機関の点火装置であって、前記燃焼室内に電磁波を供給する電磁波発生電源と、前記燃焼室に臨む状態で配置され、前記電磁波発生電源にて発生した電磁波を前記燃焼室内へ向けて放射する電磁波放射器と、を備え、前記燃焼室内の電界の強度を局所的に高める突起部および凹部のうち少なくともいずれか一方が、前記燃焼室に臨む面において、前記燃焼室内に放射された電磁波によって形成される電界の強度が相対的に高くなる位置に設けられている、ことを特徴とする。

また、本発明に係る内燃機関の点火装置であって、前記電磁波放射器は、柱状の内側導体と、前記内側導体の外側に同軸状に設けられた筒状の外側導体と、を備え、一端が前記燃焼室に臨む状態で配置されて、前記電磁波発生電源にて発生した電磁波を前記内側導体と前記外側導体との間を伝播させて前記燃焼室内へ向けて放射し、前記突起部又は前記凹部は、前記電磁波放射器に対向する位置に設けられており、前記突起部又は前記凹部の幅が、前記外側導体の内径よりも長い、ことを特徴とする。

また、本発明に係る内燃機関の点火装置であって、前記電磁波放射器は、前記燃焼室に臨む状態で前記内燃機関のシリンダヘッドに設けられ、前記突起部又は前記凹部は、前記燃焼室に臨むピストン頂面に設けられている、ことを特徴とする。

また、本発明に係る内燃機関の点火装置であって、前記突起部又は前記凹部は、複数設けられている、ことを特徴とする。

また、本発明に係る内燃機関の点火装置であって、前記電磁波放射器は、前記シリンダヘッドの略中央部に設けられており、前記突起部又は前記凹部は、前記ピストン頂面の略中央部に設けられている、ことを特徴とする。

また、本発明は、燃焼室内の混合気の点火を行う内燃機関の点火装置であって、電磁波を発生させる電磁波発生電源と、柱状の内側導体および前記内側導体の外側に同軸状に設けられた筒状の外側導体を備え、一端が前記燃焼室に臨む状態で配置されて、前記電磁波発生電源にて発生した電磁波を前記内側導体と前記外側導体との間を伝播させて前記燃焼室内へ向けて放射する電磁波放射器と、を備え、前記内側導体は、前記燃焼室に臨む一端から前記外側導体よりも前記燃焼室内に向けて突出して設けられており、前記電磁波放射器には、前記内側導体と前記外側導体との間を伝播してきた電磁波を前記外側導体の内側に反射させる部材と、電磁波によるプラズマ放電を発生させる間隙とが、前記燃焼室に臨む一端側に形成されている、ことを特徴とする。

また、本発明に係る内燃機関の点火装置であって、前記燃焼室内に臨む一端側において、前記内側導体と前記外側導体とが接続されており、前記間隙は前記外側導体に形成されている、ことを特徴とする。

また、本発明に係る内燃機関の点火装置であって、前記外側導体には、周方向に沿って前記間隙が複数形成されている、ことを特徴とする。

また、本発明に係る内燃機関の点火装置であって、前記電磁波放射器は、前記燃焼室内に臨む一端側において、前記内側導体と前記外側導体とを接続する接続部を有し、前記間隙は前記接続部に形成されている、ことを特徴とする。

本発明によると、電磁波によって形成される電界の強度が相対的に高くなる位置に突起部又は凹部が設けられているため、突起部又は凹部によって高電界域を拡大させて、より広い範囲で放電を行うことが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る内燃機関の概略構成を示す図である。 マイクロ波の反射率の周波数特性を示すグラフである。 燃焼室内における電界分布を示す図である。 燃焼室内における電界分布を示す図である。 燃焼室内における電界分布を示すグラフ、及び、反射率と共振周波数とを示すグラフである。 燃焼室内における電界分布を示す図である。 燃焼室内における電界分布を示すグラフである。 内燃機関の他の構成例を示す図である。 内燃機関の他の構成例を示す図である。 内燃機関の他の構成例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る内燃機関の概略構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る内燃機関の点火装置の概略構成を示す図である。 マイクロ波放射器の他の構成例を示す断面図である。 マイクロ波放射器の他の構成例を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係るマイクロ波放射器によって形成される電界分布を示す図である。

［第１の実施の形態］
図１を参照して、本発明の第１実施形態に係る内燃機関について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る内燃機関の概略構成を示す図である。第１実施形態に係る内燃機関においては、マイクロ波などの電磁波を利用して内燃機関の燃焼室内の混合気の点火を行う。

図１に示すように、内燃機関１０は、シリンダヘッド１１と、シリンダ１２と、シリンダ１２及びピストン１３により形成される燃焼室１４と、シリンダヘッド１１に設けられた吸気口１５を開閉する吸気弁１６と、シリンダヘッド１１に設けられた排気口１７を開閉する排気弁１８と、燃料噴射弁１９と、を備えている。吸気行程においては、吸気弁１６が開きピストン１３を下降することで吸気口１５から燃焼室１４内に吸気ガスが導入される。図１に示す内燃機関１０では、燃料噴射弁１９が吸気口１５に臨む状態で配置されていることで燃料が吸気口１５に噴射されるため、燃焼室１４内に混合気が導入される。圧縮行程においては、吸気弁１６が閉じてピストン１３の上昇により混合気が圧縮される。点火装置３０は、マイクロ波などの電磁波を燃焼室１４内に放射することで、燃焼室１４内の混合気の点火を行う。燃焼後のガスは、排気行程において排気弁１８が開くことで、排気口１７へ排出される。

図１に示すように、点火装置３０は、制御装置３１と、マイクロ波発生電源３２と、マイクロ波伝送路３３と、マイクロ波放射器３４と、を備えている。

マイクロ波発生電源３２は、例えばマグネトロンや進行波増幅管や固体発振素子、及びハイパワーアンプにより構成することができ、マイクロ波などの電磁波を発生させる。なお、マイクロ波発生電源３２が、電磁波発生電源の一例に相当する。制御装置３１は、マイクロ波発生電源３２が発生させるマイクロ波のパルスの高さ及び幅のいずれか１つ以上を制御することで、その出力（電力）を制御する。マイクロ波発生電源３２は、燃焼室１４内の混合気の点火を行うタイミングでマイクロ波パルスを出力し、この出力されたマイクロ波パルスはマイクロ波伝送路３３を伝播する。

マイクロ波伝送路３３は、シリンダヘッド１１の内部を通ってその端部が燃焼室１４に臨んでいる。マイクロ波伝送路３３の端部には、マイクロ波発生電源３２にて発生しマイクロ波伝送路３３を伝播したマイクロ波などの電磁波を放射するマイクロ波放射器３４が設けられている。マイクロ波伝送路３３は、例えば同軸ケーブルや導波管により構成することができる。このように、マイクロ波放射器３４が燃焼室１４に臨む状態でシリンダヘッド１１に配置されていることで、マイクロ波放射器３４から燃焼室１４内にマイクロ波などの電磁波が放射される。図１に示す例では、マイクロ波放射器３４は燃焼室１４の上面の中央部に配置されている場合を示している。なお、マイクロ波放射器３４が、電磁波放射器の一例に相当する。

マイクロ波放射器３４は、外側導体３５と内側導体３６とによって構成された同軸構造を有する。外側導体３５は筒状の形状を有し、接地されている。内側導体３６は柱状の形状を有し、外側導体３５の中心軸に沿って外側導体３５内に配置されている。外側導体３５と内側導体３６との間には、空洞部３７が形成されている。空洞部３７には、固体状の誘電体が配置されていてもよい。外側導体３５の開放端が燃焼室１４に臨む状態で、マイクロ波放射器３４がシリンダヘッド１１に配置されている。マイクロ波伝送路３３を介してマイクロ波放射器３４に供給されたマイクロ波などの電磁波は、外側導体３５と内側導体３６との間を伝播して、燃焼室１４内に放射される。

燃焼室１４では、所定の周波数のマイクロ波が所定の共振モードで共振する。マイクロ波発生電源３２は、制御装置３１の制御に基づいてマイクロ波を発生させる。そのことにより、マイクロ波放射器３４から放射されたマイクロ波が、燃焼室１４内で共振する。マイクロ波が燃焼室１４内で共振している状態では、マイクロ波のエネルギー反射が少なく、マイクロ波のエネルギーのほとんどが燃焼室１４内に蓄えられる。

第１実施形態においては、突起部２０が、燃焼室１４に臨むピストン頂面１３ａに設けられている。この突起部２０は、突起部２０の近傍において燃焼室１４内の電界強度を局所的に高める機能を有する。すなわち、マイクロ波放射器３４から放射されたマイクロ波は燃焼室１４内を満たすが、突起部２０の近傍では、燃焼室１４内のマイクロ波の平均電界の数十倍から数百倍程度の高電界を得ることができる。その結果、突起部２０の近傍にてプラズマ放電が発生するため、燃焼室１４内の混合気の点火を行うことができる。マクスウェルの式により、電気力線は金属表面に垂直に入射する。よって、曲率の小さな金属端では電界強度が高くなり、曲率が小さくなるほど電界強度が高くなる。第1実施形態に係る突起部２０は、その作用を構造化したものである。なお、ＤＣ放電などのアシストを用いて、燃焼室１４内の混合気の点火を行ってもよい。図１に示す例では、一例として、１つの突起部２０がピストン頂面１３ａの中央部に配置されている。すなわち、突起部２０は、マイクロ波放射器３４に対向する位置に設けられている。

次に、燃焼室１４内において、広範囲で放電が可能な構成例について説明する。ただし、以下に説明するマイクロ波の周波数、及び燃焼室１４の寸法については一例であり、本発明はこの例に限定されない。

燃焼室１４内におけるマイクロ波の共振周波数は、燃焼室１４の形状、大きさ、導電率、及び共振器のＱ値などに依存する。燃焼室１４の形状を円柱形状とし、円柱状の燃焼室１４の直径Φを９０ｍｍとし、燃焼室１４の高さＨを変化させた場合の共振モードを調べた。その結果を図２に示す。図２は、マイクロ波の反射率の周波数特性を示すグラフである。横軸は周波数ＧＨｚを示し、縦軸はマイクロ波の反射率を示す。なお、高さＨは、ピストン頂面１３ａからシリンダヘッド１１までの距離に相当する。反射率は、燃焼室１４内へのマイクロ波の入射エネルギーの指標を表し、反射率のレベルが低いほど燃焼室１４内へのマイクロ波の入射エネルギーが大きいことを表す。図２において、矢印Ａで示す周波数が、高さＨが２０ｍｍの場合における共振周波数である。高さＨが２０ｍｍの場合には、２ＧＨｚ帯、５ＧＨｚ帯、及び８ＧＨｚ帯などに、共振モードが存在する。また、高さＨが９０ｍｍの場合には、２ＧＨｚ〜１０ＧＨｚの間の共振モードの数は、高さＨが２０ｍｍの場合よりも増加する。そして、高さＨによって共振周波数が変化しない共振モードと、高さＨによって共振周波数が変化する共振モードと、が存在する。なお、高さＨによって共振周波数が変化しないモードは、ＴＭｍｎモードとして知られている。例えば、高さＨによって共振周波数が変化しない共振モードが、２ＧＨｚ帯（約２．５ＧＨｚ）と５ＧＨｚ帯（約５．８ＧＨｚ）とに存在する。

燃焼室１４内には、共振モードに応じた電界分布が形成される。図３を参照して、燃焼室１４の高さＨに依存しない共振モードにおける電界分布について説明する。図３は、燃焼室内における電界分布を示す図である。一例として、燃焼室１４の高さＨを２０ｍｍとした。例えば１Ｗ供給時において周波数が約２．５ＧＨｚの共振モードにおいては、図３（ａ）に示す電界分布が形成される。なお、図３（ａ）に示す例においては、マイクロ波放射器３４の内側導体３６を、燃焼室１４内に２ｍｍ突出させた。また、１Ｗ供給時において周波数が約５．８ＧＨｚの共振モードにおいては、図３（ｂ）に示す電界分布が形成される。また、図３（ｃ）に、燃焼室１４の矢印Ｂ−Ｂ間における電界分布のグラフを示す。図３（ｃ）において、横軸は位置を示し、縦軸は電界強度を示す。周波数が約２．５ＧＨｚの共振モードの電界分布は、図３（ａ）、（ｃ）に示すように、燃焼室１４の径方向において中央部が最も高く、周囲部（径方向の外側）へ向かうほど低くなっている。一方、周波数が約５．８ＧＨｚの共振モードの電界分布は、図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、燃焼室１４の径方向において中央部が最も高く、周囲部（径方向の外側）へ向かって徐々に低くなって、ある位置で最も低くなる。さらに、電界分布は、周囲部へ向かって徐々に高くなり、ある位置でピークとなって、その位置から周辺部へ向かうほど低くなっている。このように、電界分布はマイクロ波放射器３４を中心軸として軸対称に形成されている。

マイクロ波放射器３４は、燃焼室１４内において電界強度が高くなる位置に配置されていることが好ましい。突起部２０は、燃焼室１４内における電界強度が高くなり、また、高電界が広い範囲に形成される位置に配置されていることが好ましい。例えば、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、燃焼室１４の径方向の中央部で電界強度が最も高くなるため、燃焼室１４の径方向における中央部に、マイクロ波放射器３４と突起部２０とが配置されていることが好ましい。

ここで、図４及び図５を参照して、燃焼室１４内でマイクロ波放射器３４の位置を変えたときの電界分布について説明する。図４は、燃焼室内における電界分布を示す図である。図５は、燃焼室内における電界分布を示すグラフ、及び、反射率と共振周波数とを示すグラフである。一例として、円柱状の燃焼室１４の直径Φを９０ｍｍとし、高さＨを２０ｍｍとした。周波数が約２．５ＧＨｚのマイクロ波をマイクロ波放射器３４から放射させた。

燃焼室１４の径方向の中心１００からマイクロ波放射器３４を径方向にずらして、燃焼室１４内の電界分布を調べた。ここで、燃焼室１４の中心１００からマイクロ波放射器３４の内側導体３６の中心軸までの距離を、オフセットとする。図４（ａ）に、オフセットが０ｍｍの場合における電界分布を示す。図４（ｂ）に、オフセットが２．５ｍｍの場合における電界分布を示す。図４（ｃ）に、オフセットが５．０ｍｍの場合における電界分布を示す。図４（ｄ）に、オフセットが１０ｍｍの場合における電界分布を示す。図４（ｅ）に、オフセットが１５ｍｍの場合における電界分布を示す。図４（ｆ）に、オフセットが３０ｍｍの場合における電界分布を示す。また、図５（ａ）に、燃焼室１４の矢印Ｂ−Ｂ間における電界分布のグラフを示す。図５（ａ）において、横軸は位置を示し、縦軸は電界強度を示す。図５（ａ）には、各オフセットに対する電界分布のグラフが示されている。また、図５（ｂ）に、オフセットに対する反射率及び共振周波数のグラフを示す。図５（ｂ）において、横軸はオフセットを示し、縦軸は反射率及び共振周波数を示す。

図４（ａ）〜（ｄ）に示すように、オフセットが０〜１０ｍｍの場合には、燃焼室１４内の中心１００付近の電界強度が高くなっている。一方、オフセットが１５ｍｍの場合には、図４（ｅ）に示すように、オフセットが０〜１０ｍｍの場合と比べて、中心１００付近の電界強度は低くなる。さらに、オフセットが３０ｍｍの場合には、図４（ｆ）に示すように、中心１００付近の電界強度はさらに低くなる。

図５（ａ）に示すように、オフセットが大きくなるほど電界強度は低くなるが、オフセットが０〜１０ｍｍの場合には、中心１００付近の電界強度は８０００Ｖ／ｍ以上となる。一方、オフセットが１５ｍｍの場合には、中心１００付近の電界強度は約７５００Ｖ／ｍとなる。さらに、オフセットが３０ｍｍの場合には、中心１００付近の電界強度は６０００Ｖ／ｍ未満となり、電界強度がさらに低くなる。

また、図５（ｂ）のグラフに示すように、オフセットが０〜１０ｍｍの場合には、反射率が０．１以下となり、燃焼室１４内へのマイクロ波の入射エネルギーが大きくなっている。一方、オフセットが１５ｍｍの場合には、反射率が０．２を超えて、燃焼室１４内へのマイクロ波の入射エネルギーが小さくなっている。さらに、オフセットが３０ｍｍの場合には、反射率が約０．７となり、燃焼室１４内へのマイクロ波の入射エネルギーがさらに小さくなっている。

以上のように、マイクロ波放射器３４が中心１００から離れるほど、燃焼室１４内に形成される電界強度は低くなるが、オフセットが０〜１０ｍｍの場合には、中心１００付近において８０００Ｖ／ｍ以上の電界強度が得られる。従って、中心１００からマイクロ波放射器３４までの距離（オフセット）は、０〜１０ｍｍであることが好ましい。換言すると、燃焼室１４の径方向の中心１００から１０ｍｍ以内の範囲に、マイクロ波放射器３４を設置することが好ましい。さらに換言すると、燃焼室１４の径方向の中央部には、中心１００から１０ｍｍ以内の範囲が含まれていてもよい。このように、中心１００から１０ｍｍ以内の範囲内にマイクロ波放射器３４を設置することにより、燃焼室１４の径方向の中央部において高い電界強度を形成することが可能となる。

次に、図６及び図７を参照して、ピストン頂面１３ａに突起部２０を設けた場合の電界分布について説明する。図６は、燃焼室内における電界分布を示す図である。図７は、燃焼室内における電界分布を示すグラフである。図７に示すグラフは、燃焼室１４の矢印Ｃ−Ｃ間における電界分布のグラフである。一例として、円柱状の燃焼室１４の直径Φを９０ｍｍとし、高さＨを２０ｍｍとした。また、突起部２０の形状を円柱形状とし、突起部２０の高さを７．５ｍｍとした。また、マイクロ波放射器３４の外側導体３５の内径を１５ｍｍとした。そして、突起部２０の直径を変えて、各直径における電界分布を調べた。図６に示す各電界分布は、１Ｗ供給時において周波数が約２．５ＧＨｚの共振モードにおいて形成された電界分布である。

図６（ａ）に示す電界分布は、突起部２０の直径が１５ｍｍのときに形成される電界分布である。図６（ｂ）に示す電界分布は、突起部２０の直径が３０ｍｍのときに形成される電界分布である。図６（ｃ）に示す電界分布は、突起部２０の直径が６０ｍｍのときに形成される電界分布である。図６（ａ）〜（ｃ）及び図７に示すように、電界分布は、突起部２０が配置された中央部において最も高くなり、周囲部（径方向の外側）へ向かうほど低くなっている。また、突起部２０の直径を変えることにより、最大電界強度の高さと高電界域の広さとが変わる。突起部２０の直径が小さいほど、最大電界強度が高くなる。一方、突起部２０の直径が大きいほど最大電界強度は低くなるが、燃焼室１４の径方向に向かってより広範囲に高電界が形成される。

例えば図６（ａ）及び図７に示すように、突起部２０の直径が１５ｍｍの場合には、最大電界強度は１５０００Ｖ／ｍを超えて最も高くなるが、高電界が形成される領域は最も狭い。また、図６（ｂ）及び図７に示すように、突起部２０の直径が３０ｍｍの場合には、最大電界強度は約１３０００Ｖ／ｍとなり、突起部２０の直径が１５ｍｍの場合と比べて最大電界強度は低くなる。一方で、高電界が形成される領域は、突起部２０の直径が１５ｍｍの場合と比べて、燃焼室１４の径方向に向かって広くなる。また、図６（ｃ）及び図７に示すように、突起部２０の直径が６０ｍｍの場合には、最大電界強度は約１００００Ｖ／ｍとなり、突起部２０の直径が１５ｍｍ及び３０ｍｍの場合と比べて最大電界強度は低くなる。一方で、高電界が形成される領域は、突起部２０の直径が１５ｍｍ及び３０ｍｍの場合と比べて、燃焼室１４の径方向に向かって広くなる。また、図７に示すように、突起部２０を設けない場合には、最大電界強度は約８０００Ｖ／ｍとなる。

図６（ａ）〜（ｃ）及び図７に示すように、突起部２０の直径を大きくするほど、より広い範囲に高電界を形成することが可能となる。例えば、マイクロ波放射器３４の外側導体３５の内径よりも、突起部２０の直径を大きくすることにより、より広範囲に高電界を形成することが可能となる。そのことにより、少ない供給電力によって雰囲気の絶縁破壊電圧を超えて、広範囲でプラズマ放電を行うことが可能となる。その結果、火炎伝達が促進され、希薄燃焼を実現することが可能となる。

なお、マイクロ波の反射率のレベルが低くなり、かつ、最大電界強度が高くなるように、突起部２０の突出の長さを調整することが好ましい。また、図６（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ示す突起部２０を組み合わせて、ピストン頂面１３ａに設けてもよい。

次に、図８を参照して、本発明の第１実施形態に係る内燃機関の他の構成例について説明する。図８は、内燃機関の他の構成例を示す図である。上述した突起部２０の代わりに、ピストン頂面１３ａに凹部２１が形成されていてもよい。図８に示す例では、凹部２１は、マイクロ波放射器３４に対向する位置に形成されている。この凹部２１は、凹部２１の曲率が小さくなる部分において燃焼室１４内の電界強度を局所的に高める機能を有する。上述したように、曲率の小さな金属端では電界強度が高くなり、曲率が小さくなるほど電界強度が高くなる。凹部２１は、この作用を構造化したものである。凹部２１は、燃焼室１４内における電界強度が高くなり、また、高電界が広い範囲に形成される位置に形成されることが好ましい。例えば、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、燃焼室１４の径方向における中央部で電界強度が最も高くなるため、燃焼室１４の径方向における中央部に、凹部２１が形成されることが好ましい。

ピストン頂面１３ａに凹部２１を形成した場合の電界分布について説明する。一例として、円柱状の燃焼室１４の直径Φを９０ｍｍとし、高さＨを２０ｍｍとした。また、凹部２１の形状を円柱形状とし、深さ（ピストン頂面１３ａから凹部２１の底面までの距離）を６ｍｍとした。そして、凹部２１の直径を変えて、各直径における電界分布を調べた。図８に示す各電界分布は、１Ｗの供給時において周波数が約２．５ＧＨｚの共振モードにおいて形成された電界分布である。

図８（ａ）に示す電界分布は、凹部２１の直径が１５ｍｍのときに形成される電界分布である。図８（ｂ）に示す電界分布は、凹部２１の直径が３０ｍｍのときに形成される電界分布である。図８（ａ）、（ｂ）に示すように、電界分布は、凹部２１の端部において最も高くなり、周囲部（径方向の外側）へ向かうほど低くなっている。

また、凹部２１の端部において電界強度が高くなるため、凹部２１の直径を大きくするほど、燃焼室１４の中心部から離れた位置に高電界域が形成されることになる。すなわち、凹部２１の直径を大きくするほど、より広い範囲に高電界を形成することが可能となる。例えば、マイクロ波放射器３４の外側導体３５の内径よりも、凹部２１の直径を大きくすることにより、より広範囲に高電界を形成することが可能となる。そのことにより、少ない供給電力によって広範囲でプラズマ放電を行うことが可能となり、その結果、火炎伝達が促進され、希薄燃焼を実現することが可能となる。

次に、図９を参照して、周波数が５ＧＨｚ帯（約５．８ＧＨｚ）の共振モードの場合について説明する。図９は、内燃機関の他の構成例を示す図である。図３（ｃ）に示すように、周波数が約５．８ＧＨｚの共振モードの電界分布は、燃焼室１４の径方向の中央部が最も高くなる。また、中央部から離れた位置にも、電界分布がピークを形成する。このように、周波数が約５．８ＧＨｚの共振モードにおいては、複数の位置で電界強度が相対的に高くなる。

そこで、図９に示すように、燃焼室１４の径方向における中央部に、突起部２０を配置する。さらに、図３（ｃ）に示す電界分布に対応させて、中央部から離れた位置であって電界分布がピークを形成する位置に、突起部２０ａを配置する。電界分布はマイクロ波放射器３４を中心軸として軸対称に形成されるため、突起部２０の両側にそれぞれ突起部２０ａを配置する。このように、電界強度が相対的に高くなる位置に、突起部２０、２０ａを配置する。

ピストン頂面１３ａに突起部２０、２０ａを配置した場合の電界分布について説明する。一例として、円柱状の燃焼室１４の直径Φを９０ｍｍとし、高さＨを２０ｍｍとした。また、突起部２０、２０ａの形状を円柱形状とした。突起部２０の直径を１５ｍｍとし、突起部２０、２０ａの高さを７．５ｍｍとした。また、マイクロ波放射器３４の外側導体３５の内径を１５ｍｍとした。図９に示すように、電界分布は、突起部２０、２０ａが配置された箇所において最も高くなり、突起部２０、２０ａの周囲へ向かうほど低くなっている。突起部２０が配置された箇所の電界強度が高くなり、また、突起部２０の両側に配置された突起部２０ａにおいても電界強度が高くなるため、燃焼室１４内の広い範囲に高電界を形成することが可能となる。そのことにより、少ない供給電力によって広範囲でプラズマ放電を行うことが可能となり、その結果、火炎伝達が促進され、希薄燃焼を実現することが可能となる。

図９に示す例において、突起部２０、２０ａの代わりに、ピストン頂面１３ａに凹部２１を設けてもよい。また、突起部と凹部とを組み合わせて、ピストン頂面１３ａに設けてもよい。例えば、燃焼室１４の径方向における中央部に突起部２０を配置し、突起部２０ａが設けられた位置に、突起部２０ａの代わりに凹部を設けてもよい。または、燃焼室１４の径方向における中央部に凹部２１を設けてもよい。このように、突起部と凹部とを組み合わせた場合においても、突起部又は凹部が設けられた箇所の電界強度が高くなるため、燃焼室１４内の広い範囲に高電界を形成することが可能となる。

なお、２つの突起部２０ａを配置せずに、燃焼室１４の径方向における中央部のみに突起部２０を配置してもよい。この場合であっても、突起部２０によって電界強度を高めて、燃焼室１４内の広い範囲に高電界を形成することができる。また、２つの突起部２０ａのうちのいずれか一方が、ピストン頂面１３ａに設けられていてもよい。

次に、図１０を参照して、本発明の第１実施形態に係る内燃機関の他の構成例について説明する。図１０は、内燃機関の他の構成例を示す図である。燃焼室１４の別の構成例として、燃焼室１４の高さが、中央部から端部にかけて徐々に低くなっていてもよい。例えば、シリンダヘッド１１の燃焼室１４に臨む面を斜めに形成することにより、燃焼室１４の高さを、中央部から端部にかけて徐々に低くする。一例として、燃焼室１４の直径Φを９０ｍｍとし、燃焼室１４の中央部の高さを２０ｍｍとし、燃焼室１４の端部の高さを４ｍｍとした。例えば、１Ｗ供給時において周波数が約２．５ＧＨｚの共振モードにおける電界分布を調べた。この場合も、燃焼室１４内に形成される電界分布は、燃焼室１４の径方向において中央部が最も高く、周囲部（径方向の外側）へ向かうほど低くなっている。従って、図６（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ示す突起部２０をピストン頂面１３ａの中央部に設けることにより、突起部２０が配置された位置の電界強度を高めることが可能となる。そして、突起部２０の直径を大きくするほど、広範囲に高電界を形成することが可能となる。そのことにより、少ない供給電力によって広範囲でプラズマ放電を行うことが可能となり、その結果、火炎伝達が促進され、希薄燃焼を実現することが可能となる。また、突起部２０の代わりに、図８（ａ）、（ｂ）に示す凹部２１をピストン頂面１３ａに形成した場合も、突起部２０と同じ効果を奏することが可能である。また、周波数が約５．８ＧＨｚの共振モードのように、複数の位置で電界強度が相対的に高くなる場合には、電界強度が相対的に高くなる各位置に突起部又は凹部を設けてもよい。

［第２の実施の形態］
次に、図１１及び図１２を参照して、本発明の第２実施形態に係る内燃機関について説明する。図１１は、本発明の第２実施形態に係る内燃機関の概略構成を示す図である。図１２は、本発明の第２実施形態に係る内燃機関の点火装置の概略構成を示す図である。第２実施形態に係る内燃機関１０Ａは、第１実施形態に係る内燃機関１０と同様に、シリンダヘッド１１と、シリンダ１２と、シリンダ１２及びピストン１３により形成される燃焼室１４と、シリンダヘッド１１に設けられた吸気口１５とを開閉する吸気弁１６と、シリンダヘッド１１に設けられた排気口１７を開閉する排気弁１８と、燃料噴射弁１９と、を備えている。第２実施形態に係る内燃機関１０Ａには、第１実施形態に係る点火装置３０に代えて、点火装置４０が設けられている。本実施形態に係る点火装置４０は、燃焼室１４を臨む一端側に狭い間隙を設けて、強いマイクロ波電界を誘起して放電を形成することで、燃焼室１４内の圧縮混合気の点火を行う。なお、突起部２０及び凹部２１のうち少なくとも一方が、ピストン頂面１３ａに設けられていてもよい。

点火装置４０は、制御装置３１と、マイクロ波発生電源３２と、マイクロ波伝送路３３と、マイクロ波放射器５０と、を備えている。第２実施形態に係る点火装置４０は、第１実施形態に係るマイクロ波放射器３４に代えて、マイクロ波放射器５０を備えている。なお、マイクロ波放射器５０が、電磁波放射器の一例に相当する。

次に、マイクロ波放射器５０について説明する。図１２に示すように、マイクロ波放射器５０は、外側導体３５と内側導体３６とによって構成された同軸構造を有する。外側導体３５は筒状の形状を有し、接地されている。内側導体３６は柱状の形状を有し、外側導体３５の中心軸に沿って外側導体３５内に配置されている。外側導体３５と内側導体３６とは、一定の間隔Ｌを隔てて配置されている。内側導体３６は、マイクロ波放射器５０の先端部５０ａにおいて外側導体３５よりも外側に突出して設けられている。先端部５０ａの反対側において、マイクロ波伝送路３３が内側導体３６に接続されている。マイクロ波発生電源３２により発生させたマイクロ波などの電磁波が、マイクロ波伝送路３３を介してマイクロ波放射器５０に供給される。外側導体３５と内側導体３６との間には、空洞部３７が形成されている。空洞部３７には、固体状の誘電体が設置されていてもよい。マイクロ波放射器５０の先端部５０ａ（終端部）が内燃機関１０の燃焼室１４に臨む状態で、マイクロ波放射器５０がシリンダヘッド１１に配置される。これにより、内側導体３６は、外側導体３５よりも燃焼室１４内に向けて突出することになる。マイクロ波伝送路３３を介してマイクロ波放射器５０に供給されたマイクロ波などの電磁波は、外側導体３５と内側導体３６との間を伝播し、その一部が燃焼室１４内に放射される。そして、燃焼室１４を臨む一端側に狭い間隙を設けて、強いマイクロ波電界を誘起して放電を形成する。

また、外側導体３５と内側導体３６とは、マイクロ波発生電源３２の出力インピーダンスと整合を図るために必要な間隔Ｌを隔てて配置されている。外側導体３５と内側導体３６との間（空洞部３７）に配置される誘電体の誘電率に依存するが、外側導体３５と内側導体３６との間の間隔Ｌは、一例として数ｍｍ程度（例えば３ｍｍ〜１０ｍｍ程度）となっている。

また、マイクロ波放射器５０の先端部５０ａ（終端部）には、空洞部３７に連通する間隙３８が形成されている。一例として、先端部５０ａのほぼ中央に間隙３８が形成されている。内側導体３６は、間隙３８を通って外側導体３５よりも外側に突出して設けられていることになる。一例として、先端部５０ａが、内側導体３６と外側導体３５とを接続する接続部に相当し、間隙３８は先端部５０ａに形成されている。すなわち、内側導体３６と外側導体３５とは、先端部５０ａ（終端部）で接続されており、先端部５０ａ（接続部）に間隙３８が形成されている。内側導体３６と外側導体３５とを先端部５０ａで接続すると、外側導体３５と内側導体３６との間を伝播してきたマイクロ波などの電磁波は、燃焼室１４内に放射されず、先端部５０ａにおいて外側導体３５の内側に反射されこととなる。そのような状態の中で、小さな間隙３８を設けることが、本実施形態に係るマイクロ波放射器５０の主たる構成である。間隙３８を設けることにより、内側導体３６と外側導体３５との間を伝播するマイクロ波は、その一部が燃焼室１４内に放射されるが、そのほとんどが先端部５０ａで反射される状況に変わりはない。マイクロ波放射器５０の外側にマイクロ波が放射されない系に小さな間隙３８を設けると、間隙３８でのマイクロ波のエネルギー密度が高まり、高電界部が形成される。その電界はマイクロ波の電力の増加によって増加することになるが、その電界が雰囲気の絶縁破壊電界を超えると、プラズマ放電が生じる。本実施形態では、供給されたマイクロ波が燃焼室１４内に放射されることがほとんどないため、より小さな電力でプラズマ放電を誘起することが可能となる。本実施形態では、間隙３８の一部又はすべての幅Ｄは、マイクロ波のエネルギー密度を高めて、マイクロ波によるプラズマ放電の発生が可能な幅となっている。間隙３８の幅Ｄは、一例として０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度であることが好ましい。

本実施形態においては、マイクロ波放射器５０の先端部５０ａ側において、外側導体３５及び内側導体３６のうち少なくとも一方に、他方に対向する突起部が設けられており、突起部と他方との間で間隙３８が形成されている。図１２に示す例では、外側導体３５の先端部５０ａ側に、内側導体３６に対向する突起部３５ａが設けられており、その突起部３５ａと内側導体３６との間に間隙３８が形成されている。

以上のように、間隙３８の幅Ｄを、外側導体３５と内側導体３６との間の間隔Ｌよりも短くすることにより、マイクロ波などの高周波の供給に伴って間隙３８に高い電界が生じやすくなる。一例として、間隙３８の幅Ｄを０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度にすることにより、間隙３８に高い電界が形成されて絶縁破壊が生じ、その結果、マイクロ波によるプラズマ放電が間隙３８にて発生する。間隙３８によって発生したプラズマ放電によって、燃焼室１４内の混合気の点火を行うことが可能となる。このように間隙３８によってプラズマ放電を発生させることができるため、従来技術と比べて大きな電力を供給しなくてもプラズマ放電を発生させることが可能となる。また、ＤＣ放電によるアシストが不要となり、又は、ＤＣ放電の低電力化が可能となる。そのため、本実施形態に係るマイクロ波放射器５０によると、従来技術よりも低電力でプラズマ放電を発生させて、燃焼室１４内の混合気の点火を行うことが可能となる。従来技術においては、内側導体と外側導体とはその間隔を変えることなく、内側導体が外側導体に対して外側に突出している。そのような構造では、内側導体と外側導体との間を伝播するマイクロ波は、先端部（終端部）で反射されるのはその一部であり、多くは燃焼室内に放射される。このような従来技術に係る構成では、本実施形態に係るマイクロ波放射器５０と比較して、先端部での電界はより低くならざるを得ない。そのため、従来技術においては、放電（点火）時にＤＣ放電によるアシストが必要になったり、より大きな電力が必要になったりする。また、内側導体３６が外側導体３５よりも燃焼室１４内に向けて突出して設けられているため、燃焼室１４内において、マイクロ波の反射率を低下させることが可能となる。そのことにより、燃焼室１４内において広範囲に高電界を形成することが可能となるため、少ない供給電力によって広範囲でプラズマ放電を行うことが可能となり、その結果、火炎伝達が促進され、希薄燃焼を実現することが可能となる。

次に、図１３を参照して、第２実施形態に係るマイクロ波放射器の他の構成例について説明する。図１３は、マイクロ波放射器の他の構成例を示す断面図である。図１３に示すマイクロ波放射器５０のように、マイクロ波放射器５０の先端部５０ａにおいて、先端部５０ａの中心から離れた位置に間隙３８が形成されていてもよい。一例として、外側導体３５の先端部５０ａ側に、内側導体３６に対向する突起部３５ａが設けられており、その突起部３５ａと内側導体３６との間に間隙３８が形成されている。この場合においても、間隙３８に高い電界が形成されて、マイクロ波によるプラズマ放電を間隙３８にて発生させることが可能となる。また、内側導体３６が外側導体３５よりも燃焼室１４内に向けて突出して設けられているため、燃焼室１４内において広範囲に高電界を形成することが可能となる。

次に、図１４を参照して、第２実施形態に係るマイクロ波放射器の他の構成例について説明する。図１４は、マイクロ波放射器の他の構成例を示す断面図である。図１４に示すように、マイクロ波放射器５０の先端部５０ａ側において、空洞部３７に連通する間隙３８がマイクロ波放射器５０の側面に形成されている。一例として、先端部５０ａ（終端部）が、内側導体３６と外側導体３５とを接続する接続部に相当し、間隙３８は、外側導体３５の側面に形成されている。すなわち、内側導体３６と外側導体３５とは、先端部５０ａ（終端部）で接続されており、外側導体３５に間隙３８が形成されている。内側導体３６と外側導体３５とを先端部５０ａで接続すると、外側導体３５と内側導体３６との間を伝播してきたマイクロ波などの電磁波は、燃焼室１４内に放射されず、先端部５０ａにおいて外側導体３５の内側に反射されることになる。そのような状態の中で、小さな間隙３８を設けることが、本実施形態に係るマイクロ波放射器５０の主たる構成である。間隙３８を設けることにより、内側導体３６と外側導体３５との間を伝播するマイクロ波は、その一部が燃焼室１４内に放射されるが、そのほとんどが先端部５０ａで反射される状況に変わりはない。マイクロ波放射器５０の外側にマイクロ波が放射されない系に小さな間隙３８を設けると、間隙３８でのマイクロ波のエネルギー密度が高まり、高電界部が形成される。上述したように、電界が雰囲気の絶縁破壊電界を超えると、プラズマ放電が生じる。本実施形態では、供給されたマイクロ波が燃焼室１４内に放射されることがほとんどないため、より小さな電力で放電を誘起することが可能となる。

図１４に示す例では、内側導体３６の先端部５０ａ側に、外側導体３５に対向する突起部３６ａが設けられており、その突起部３６ａと外側導体３５との間に間隙３８が形成されている。例えば、マイクロ波放射器５０の側面には、周方向に沿って部分的に軸方向の幅が異なる間隙が形成されており、その間隙において軸方向の幅が幅Ｄとなっている箇所が、上述の間隙３８に相当する。このように、幅Ｄを有する複数の間隙３８が、マイクロ波放射器５０の側面において周方向に沿って互いに所定距離を隔てた箇所に形成されていてもよい。すなわち、周方向に沿って部分的に幅Ｄを有する間隙３８が形成されていてもよい。このように、間隙３８がマイクロ波放射器５０の側面に形成されている場合も、間隙３８に高い電界が形成されて、その結果、マイクロ波によるプラズマ放電を間隙３８にて発生させることが可能となる。また、内側導体３６が外側導体３５よりも燃焼室１４内に向けて突出して設けられているため、燃焼室１４内において広範囲に高電界を形成することが可能となる。

次に、図１５を参照して、第２実施形態に係るマイクロ波放射器５０を用いた場合の電界分布について説明する。図１５は、本発明の第２実施形態に係るマイクロ波放射器によって形成される電界分布を示す図である。一例として、円柱状の燃焼室１４の直径Φを９０ｍｍとし、高さＨを２０ｍｍとした。また、外側導体３５から突出させている内側導体３６の部分の長さを、２ｍｍとした。図１５に示す電界分布は、１Ｗ供給時において周波数が約２．５ＧＨｚの共振モードにおいて形成された電界分布である。

図１５（ａ）に、第２実施形態に係るマイクロ波放射器５０によって形成された電界分布を示す。図１５（ｂ）に、比較例に係るマイクロ波放射器６０によって形成された電界分布を示す。比較例に係るマイクロ波放射器６０においては、内側導体３６は外側導体３５から突出せずに、外側導体３５内に配置されている。

第２実施形態に係るマイクロ波放射器５０によると、燃焼室１４内におけるマイクロ波の反射率は０．１０となった。一方、比較例に係るマイクロ波放射器６０によると、燃焼室１４内におけるマイクロ波の反射率は０．７４となった。

また、図１５（ａ）、（ｂ）に示すように、電界分布は、マイクロ波放射器５０、６０が配置された中央部において最も高くなり、周囲部（径方向の外側）へ向かうほど低くなっている。しかしながら、第２実施形態に係るマイクロ波放射器５０によると、比較例に係るマイクロ波放射器６０よりも広範囲に高電界を形成することが可能となる。比較例に係るマイクロ波放射器６０では、マイクロ波放射器６０の近傍のみに高電界が形成されるが、第２実施形態に係るマイクロ波放射器５０によると、マイクロ波放射器５０から離れた領域にも高電界域が形成される。このように、第２実施形態に係るマイクロ波放射器５０によると、内側導体３６が外側導体３５よりも燃焼室１４内に向けて突出して設けられているため、マイクロ波放射器５０から燃焼室１４へのマイクロ波の供給効率が向上することになる。燃焼室１４内においてマイクロ波の反射率を低下させることが可能となる。そのことにより、燃焼室１４内において広範囲に高電界を形成することが可能となるため、少ない供給電力によって広範囲でプラズマ放電が可能となり、その結果、火炎伝達が促進され、希薄燃焼を実現することが可能となる。

なお、第１実施形態に係る内燃機関１０に、第２実施形態に係る点火装置４０を設けてもよい。すなわち、ピストン頂面１３ａに突起部２０又は凹部２１を設け、さらに、第２実施形態に係るマイクロ波放射器５０によってプラズマ放電を行ってもよい。この場合においても、少ない供給電力によって広範囲でプラズマ放電を行うことが可能となり、その結果、火炎伝達が促進され、希薄燃焼を実現することが可能となる。

１０，１０Ａ 内燃機関、１１ シリンダヘッド、１２ シリンダ、１３ ピストン、１３ａ ピストン頂面、１４ 燃焼室、１５ 吸気口、１６ 吸気弁、１７ 排気口、１８ 排気弁、１９ 燃料噴射弁、２０，２０ａ，３５ａ，３６ａ 突起部、２１ 凹部、３０，４０ 点火装置、３１ 制御装置、３２ マイクロ波発生電源、３３ マイクロ波伝送路、３４，５０，６０ マイクロ波放射器、３５ 外側導体、３６ 内側導体、３７ 空洞部、３８ 間隙、５０ａ 先端部。

Claims (4)

1. 燃焼室内の混合気の点火を行う内燃機関の点火装置であって、
   前記燃焼室内にて共振する周波数の電磁波を前記燃焼室内に供給する電磁波発生電源と、
   前記燃焼室に臨む状態で配置され、前記電磁波発生電源にて発生した電磁波を前記燃焼室内へ向けて放射する電磁波放射器と、を備え、
   前記燃焼室内の電界の強度を局所的に高める突起部が、前記燃焼室に臨む面において、前記燃焼室内に放射された電磁波によって形成される電界の強度が相対的に高くなる位置に設けられており、
   前記電磁波放射器は、
   柱状の内側導体と、
   前記内側導体の外側に同軸状に設けられた筒状の外側導体と、を備え、
   一端が前記燃焼室に臨む状態で配置されて、前記電磁波発生電源にて発生した電磁波を前記内側導体と前記外側導体との間を伝播させて前記燃焼室内へ向けて放射し、
   前記突起部は、前記電磁波放射器に対向する位置に設けられており、前記突起部の幅が、前記外側導体の内径よりも長い、
   ことを特徴とする内燃機関の点火装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の点火装置であって、
   前記電磁波放射器は、前記燃焼室に臨む状態で前記内燃機関のシリンダヘッドに設けられ、
   前記突起部は、前記燃焼室に臨むピストン頂面に設けられている、
   ことを特徴とする内燃機関の点火装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の点火装置であって、
   前記突起部は、複数設けられている、
   ことを特徴とする内燃機関の点火装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の内燃機関の点火装置であって、
   前記電磁波放射器は、前記シリンダヘッドの略中央部に設けられており、
   前記突起部は、前記ピストン頂面の略中央部に設けられている、
   ことを特徴とする内燃機関の点火装置。

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