JP6086427B2 - プラズマ装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの燃焼室に電磁波を放射して電磁波プラズマを生成することにより混合気を着火させるプラズマ装置に関するものである。

従来から、エンジンの燃焼室に電磁波を放射して電磁波プラズマを生成することにより混合気を着火させるプラズマ装置が知られている。この種のプラズマ装置が、例えば特許文献１に開示されている。

具体的に、特許文献１には、スパークプラグの放電ギャップでスパーク放電を生じさせると共に、その放電ギャップに向けてマイクロ波を放射するプラズマ拡大装置が記載されている。このプラズマ拡大装置では、スパーク放電により生成されたプラズマがマイクロ波パルスからエネルギーを受ける。これにより、プラズマ領域の電子が加速され、電離が促進されて、プラズマの体積が増大する。

特開２００９−３８０２５号公報

ところで、この種のプラズマ装置は、スパーク放電により生成される放電プラズマに比べて強度が強いプラズマを生成することができるので、エンジンの燃焼室において希薄な混合気に着火することができる。しかし、混合気を希薄にするほど火炎の伝播速度が低下するので、未燃のまま排出される混合気が増加する。従って、混合気の希薄化によりエンジンの燃費が向上するものの、未燃の混合気が増加する分だけ燃費の向上度合いが低くなる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、エンジンの燃焼室に電磁波を放射して電磁波プラズマを生成することにより混合気を着火させるプラズマ装置において、混合気を希薄燃焼させる場合のエンジンの燃費を向上させることにある。

第１の発明は、エンジンの燃焼室に電磁波を放射する電磁波放射手段を備え、上記燃焼室において混合気を着火させるタイミングで、上記電磁波放射手段により燃焼室へ電磁波を放射して電磁波プラズマを生成することにより上記混合気を着火させるプラズマ装置を対象とし、上記混合気の着火後の火炎伝播中に燃焼室へ電磁波が放射されるように上記電磁波放射手段を制御して、放射された電磁波と伝播火炎中の電子とを共鳴させることにより火炎伝播速度を増大させる火炎加速手段を備えている。

第１の発明では、混合気の着火後の火炎伝播中に、電磁波放射手段により電磁波を燃焼室に放射して、放射された電磁波と伝播火炎中の電子とを共鳴させる。これにより、伝播火炎中の電子が効果的に加速され、火炎伝播速度が増大する。

第２の発明は、第１の発明において、上記火炎加速手段が、伝播火炎面におけるプラズマ振動の周波数を考慮して設定された周波数の電磁波を放射する電磁波放射手段を火炎伝播中に制御して、放射された電磁波を上記プラズマ振動と共鳴させる。

第２の発明では、火炎伝播中に、伝播火炎面におけるプラズマ振動と電磁波が共鳴するようにそのプラズマ振動の周波数を考慮して設定した周波数の電磁波が、燃焼室へ放射される。従って、プラズマ振動と電磁波が共鳴するので、伝播火炎中の電子が効果的に加速され、火炎伝播速度が増大する。

第３の発明は、第１の発明において、上記火炎加速手段が、上記火炎伝播中に伝播火炎が所定の加速位置を通過する際に、上記電磁波放射手段に電磁波を放射させると共に、放射された電磁波と共鳴する周波数で上記加速位置における火炎中の電子を旋回させる磁場を形成する。

第３の発明では、火炎伝播中に伝播火炎が加速位置を通過する際に、放射された電磁波と共鳴する周波数で加速位置における火炎中の電子を旋回させる磁場が形成される。このため、伝播火炎中の電子が効果的に加速され、火炎伝播速度が向上する。

第４の発明は、第３の発明において、上記エンジンは、ピストンが往復運動するレシプロエンジンであり、上記電磁波放射手段は、上記ピストンに対面するシリンダヘッドに取り付けられたアンテナから電磁波を放射し、上記火炎加速手段は、上記アンテナを囲うようにシリンダヘッドに配置された磁気形成用の電気線路と、上記伝播火炎が上記加速位置を通過する際に上記電磁波放射手段に電磁波を放射させ、且つ、上記電気線路に電流を流通させる加速用制御手段とを有している。

第４の発明では、伝播火炎が上記加速位置を通過する際に、電気線路に電流が供給され、放射された電磁波と共鳴する周波数で加速位置における火炎中の電子を旋回させる磁場が形成される。従って、伝播火炎の全周囲に亘って、伝播火炎中の電子が効果的に加速される。

第５の発明は、第１乃至第４の発明において、上記燃焼室のガスを電離にさせる電離手段を備え、上記燃焼室において混合気を着火させるタイミングで、上記電離手段により燃焼室のガスを電離させると共に、上記電磁波放射手段により燃焼室へ電磁波を放射することにより、電磁波プラズマを生成する。

第５の発明では、燃焼室において混合気を着火させるタイミングで、電離手段により燃焼室のガスを電離させる。これにより、自由電子が放出される。自由電子は、電磁波放射手段から放出された電磁波により加速される。その結果、電磁波プラズマが生成される。

本発明では、燃焼室において火炎伝播中に、放射した電磁波と伝播火炎中の電子とを共鳴させることにより、火炎中の電子へ効率的にエネルギーを供給し、火炎伝播速度を増大させる。このため、混合気を希薄燃焼させた場合に未燃のまま排気される混合気が減少する。従って、燃焼室に投入した燃料に対するエンジンの出力が増大するので、エンジンの燃費を向上させることができる。

実施形態１におけるエンジンの概略構成図である。 実施形態１におけるプラズマ生成装置の概略構成図である。 実施形態１の変形例におけるエンジンの概略構成図である。 実施形態２におけるエンジンの概略構成図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
《実施形態１》

本実施形態１は、燃焼室１０に電磁波を放射することにより電磁波プラズマ（例えば、マイクロ波プラズマ）を生成して混合気を着火させるプラズマ装置３０を備えたエンジン２０である。このエンジン２０は、ピストン２３が往復動するレシプロタイプのプラズマ着火エンジンである。エンジン２０は、エンジン本体部１６とプラズマ装置３０とを備えている。

エンジン本体部１６は、図１に示すように、シリンダブロック２１とシリンダヘッド２２とピストン２３とを備えている。シリンダブロック２１には、横断面が円形のシリンダ２４が複数形成されている。各シリンダ２４内には、ピストン２３が往復自在に設けられている。ピストン２３は、コネクティングロッドを介して、クランクシャフトに連結されている（図示省略）。クランクシャフトは、シリンダブロック２１に回転自在に支持されている。各シリンダ２４内においてシリンダ２４の軸方向にピストン２３が往復運動すると、コネクティングロッドがピストン２３の往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換する。

シリンダヘッド２２は、ガスケット１８を挟んで、シリンダブロック２１上に載置されている。シリンダヘッド２２は、シリンダ２４及びピストン２３と共に、燃焼室１０を区画している。

シリンダヘッド２２には、各シリンダ２４に対して、スパークプラグ１５が１つずつ設けられている。スパークプラグ１５は、中心電極１５ａと接地電極１５ｂとの間の放電ギャップが燃焼室１０に位置するようにシリンダヘッド２２に取り付けられている。

シリンダヘッド２２には、各シリンダ２４に対して、吸気ポート２５及び排気ポート２６が形成されている。吸気ポート２５には、吸気ポート２５を開閉する吸気バルブ２７と、燃料を噴射するインジェクター２９とが設けられている。本実施形態１では、インジェクター２９から噴射された燃料が吸気ポート２５を流れる空気に供給される。一方、排気ポート２６には、排気ポート２６を開閉する排気バルブ２８が設けられている。

プラズマ装置３０は、図２に示すように、点火コイル３１と上述のスパークプラグ１５とパルス電源３２と電磁波発振器３３と混合器３４と制御器３５とを備えている。点火コイル３１は、高電圧パルスを発生するパルス発生器を構成している。電磁波発振器３３は、例えばマグネトロンや半導体発振器である。スパークプラグ１５は、高電圧パルスを受けて放電を生じさせる放電器であり、燃焼室のガスを電離にさせる電離手段を構成している。なお、制御器３５は、例えばエンジン２０を制御する電子制御装置（ＥＣＵ）に設けられている。

点火コイル３１は、１２Ｖの自動車のバッテリー（図示省略）に接続されている。点火コイル３１は、制御器３５から点火信号を受けると、高電圧パルスを混合器３４に出力する。パルス電源３２は、制御器３５から電磁波発振信号を受けると、電磁波発振器３３にパルス電流を供給する。パルス電流を受けた電磁波発振器３３は、混合器３４に電磁波パルスを出力する。混合器３４は、高電圧パルスと電磁波パルスを混合してスパークプラグ１５の中心電極１５ａに出力する。

プラズマ装置３０では、同時期に高電圧パルスと電磁波パルスがスパークプラグ１５の中心電極１５ａに供給されると、スパークプラグ１５の放電ギャップでスパーク放電が生じ、そのスパーク放電により生じた放電プラズマに対して、中心電極１５ａから電磁波が照射される。中心電極１５ａは、電磁波用のアンテナとして機能する。スパーク放電により生じた放電プラズマは、電磁波のエネルギーを吸収して拡大する。このようにして、プラズマ装置３０は、非平衡の電磁波プラズマを生成する。燃焼室１０の混合気は、ピストン２３が上死点に到達する直前に、電磁波プラズマにより体積着火される。電磁波プラズマは、混合気の着火直後に消滅する。

なお、パルス電源３２は、電磁波発振信号を受けると、所定のデューティー比で所定の継続時間に亘ってパルス電流を出力する。電磁波発振器３３は、継続時間に亘って電磁波パルスを出力する。電磁波発振信号の出力時点から継続時間が経過すると、電磁波パルスの発振が停止され、電磁波プラズマが消滅する。

本実施形態１では、パルス電源３２と電磁波発振器３３と混合器３４とスパークプラグ１５とが、エンジン２０の燃焼室１０に電磁波を放射する電磁波放射手段を構成している。制御器３５が、燃焼室１０において混合気を着火させる着火タイミングで電磁波放射手段に電磁波を放射させる着火の制御手段を構成している。制御器３５は、圧縮行程においてピストン２３が上死点に到達する直前を上記着火タイミングとして、点火信号および電磁波発振信号を出力する。

本実施形態１では、制御器３５が、燃焼室１０において火炎伝播中に、燃焼室１０へ電磁波を放射するように電磁波放射手段を制御して、放射された電磁波と伝播火炎中の電子とを共鳴させることにより火炎伝播速度を増大させる火炎加速手段を構成している。火炎伝播速度を増大させるタイミングでは、電磁波プラズマは消滅している。制御器３５は、火炎伝播中の所定のタイミングで電磁波発振信号をパルス電源３２に出力することにより、電磁波発振器３３に電磁波を発振させて、スパークプラグ１５の中心電極１５ａから電磁波を放射させる。

ここで、混合気が電磁波プラズマにより体積着火された後、火炎伝播により燃焼反応が燃焼室１０全体に広がる。伝播火炎は、混合気の着火位置（燃焼室１０の中央部）からシリンダ壁へ向かって外側へ広がる。制御器３５は、伝播火炎を加速させる予定の加速位置に伝播火炎面が到達した時期に同期して電磁波が燃焼室１０に放射されるように、パルス電源３２を介して電磁波発振器３３を制御する。この時にスパーク放電は発生させない。なお、加速位置は、例えば、燃焼室１０の中心軸とシリンダ壁とを結ぶ線の真ん中付近に設定される。

電磁波発振器３３の発振周波数は、燃焼室１０に放射する電磁波と加速位置における伝播火炎面のプラズマ振動とが共鳴するように、加速位置を通過する伝播火炎面のプラズマ振動の周波数ｆｐを考慮して設定されている。具体的に、電磁波発振器３３の発振周波数は、加速位置を通過する伝播火炎面のプラズマ振動の周波数ｆｐ（以下、「対象周波数」という。）と同じ値に設定されている。なお、電磁波発振器３３の発振周波数は、対象周波数ｆｐと概ね等しければよい。

火炎中のプラズマ振動の周波数は、電子密度Ｎｅに依存し、下記の式１で決定される。式１においてＮｅの単位はｃｍ^−３である。
式１：ｆｐ（Ｈｚ）＝９０００×√（Ｎｅ）

加速位置を通過する火炎中の電子密度Ｎｅ（以下、「対象電子密度」という。）が、１０１０〜１０１５ｃｍ^−３であるとすると、電磁波発振器３３は、発振周波数が０．９ＧＨｚ〜２８５ＧＨｚのミリ波帯の発振器が選択される。対象電子密度Ｎｅは、例えば混合気の空燃比や燃焼室１０における加速位置の位置に応じて変化する。対象電子密度Ｎｅは、計測などにより予め取得される。そして、取得した値から、電磁波発振器３３の発振周波数を決定する。

電磁波の放射時期は、制御器３５から発信される電磁波発振信号によって制御される。制御器３５は、点火時期だけでなく、点火時期に対して所定のクランク角だけ遅れたタイミングで電磁波発振信号を出力する。このタイミングは、伝播火炎が加速位置に到達するタイミングに一致するように予め制御器３５に設定されている。
−実施形態１の効果−

本実施形態１では、プラズマ振動と電磁波が共鳴し、伝播火炎中の電子を効果的に加速することができる。伝播火炎中に生成される高速電子により、燃焼速度を向上させることができる。ここで、希薄混合気などで燃焼速度が小さい場合には、膨張行程においてピストンが下死点に到達するまでに全ての燃料を燃焼させることができない。そのため、未燃のハイドロカーボンが比較的多く排気される。本実施形態１によれば、高速電子の効果で燃焼速度を向上させることで、未燃で排出されていた燃料を低減させることができ、燃費を向上させることができる。
−実施形態１の変形例−

変形例では、エンジン本体部１６に、図３に示すように、伝播火炎を加速させる予定の加速位置に伝播火炎面が到達したことを検知するためのイオンプローブ１００が設けられている。イオンプローブ１００は、上記加速位置に配置されている。イオンプローブ１００は、例えばシリンダヘッド２２における吸気ポート２５の間に燃焼室１０に露出するように設けられている。制御器３５は、イオンプローブ１００から火炎面到達信号を受けると、電磁波発振信号をパルス電源出力する。
《実施形態２》

実施形態２について、実施形態１とは異なる点を説明する。

本実施形態２のプラズマ装置３０は、燃焼室１０に放射される電磁波（例えば、２．４５ＧＨｚ）と共鳴する周波数で伝播火炎中の電子を旋回させる磁場を上記加速位置に形成するための磁場発生用のコイル２００（電気線路）を備えている。

コイル２００は、図４に示すように、各吸気バルブ２７のバルブフェイス（燃焼室１０に露出する面）に配置された吸気側バルブ通過部２０１と、各排気バルブ２８のバルブフェイスに配置された排気側バルブ通過部２０２と、シリンダヘッド２２の燃焼室１０露出面に配置されたヘッド通過部２０３とを備えている。コイル２００は、吸気バルブ２７及び排気バルブ２８が閉じられた爆発行程において、吸気側バルブ通過部２０１と排気側バルブ通過部２０２とヘッド通過部２０３とが互いに接続されることによりコイルを構成する。この状態では、コイル２００は、電磁波プラズマによる混合気の着火位置（スパークプラグ１５の位置）を囲っている。コイル２００には、コイル２００に直流電流を印加する直流電源２０４が接続されている。

制御器３５は、火炎伝播中に伝播火炎が加速位置を通過する際に、電磁波が燃焼室１０に放射されるように電磁波発振器３３を制御し、且つ、コイル２００に電流が流れるように直流電源２０４を制御する加速用制御手段を構成している。本実施形態２では、コイル２００と制御器３５により火炎加速手段が構成されている。なお、本実施形態２では、燃焼室１０を軸方向から見た場合に、加速位置がコイル２００の位置と一致している。

具体的に、制御器３５は、伝播火炎面が加速位置に到達するタイミングに同期して、直流電源２０４に磁場形成信号を出力し、パルス電源３２に電磁波発振信号を出力する。これらの制御信号の出力タイミングは、伝播火炎が加速位置に到達するタイミングに一致するように予め制御器３５に設定されている。制御器３５は、点火時期に対し、予め設定されたクランク角だけ遅れて磁場形成信号を直流電源２０４に出力し、電磁波発振信号をパルス電源３２に出力する。

なお、実施形態１の変形例と同様に、イオンプローブ１００で伝播火炎面が加速位置に到達したことを検知して、制御器３５が磁場形成信号及び電磁波発振信号を出力しても良い。この場合、イオンプローブ１００は、コイル２００と干渉しないように、コイル２００の少しだけ内側に配置される。

直流電源２０４は、磁場形成信号を受けて、コイル２００に電流を流す。その結果、燃焼室１０内に所定の強度の磁場が発生し、加速位置に共鳴層が形成される。電流の値は、加速位置の伝播火炎面に磁束密度Ｂ（例えば、８７５ガウス）の磁場を発生させるように予め設定されている。磁束密度Ｂは、下記の式２を用いて決定される。
式２：ｆ_ｃｅ＝（ｅ×Ｂ）／（２π×ｍ_ｅ）

上記式２において、ｆ_ｃｅは電子サイクロトロン周波数（Ｈｚ）、ｅは素電荷（クーロン）、Ｂは磁束密度（Ｔ（テスラ）、１Ｔ＝１００００ガウス）、ｍ_ｅは電子の質量（ｋｇ）を表している。

パルス電源３２は、電磁波発振信号を受けてパルス電流を発振し、そのパルス電流を受けて電磁波発振器３３が、電磁波を発振する。電磁波発振器３３から発振された電磁波は、中心電極１５ａから燃焼室１０に放射される。

以上の動作により、燃焼室１０では、コイル２００により形成される磁場により、加速位置における伝播火炎の電子が燃焼室１０に放射される電磁波と同じ周波数で旋回運動する。これにより、電子の旋回運動と電磁波とが共鳴し、効果的に電子が加速される。
−実施形態２の効果−

実施形態２では、火炎中に生成される高速電子により、燃焼速度を向上させることができる。従って、未燃で排出されていた燃料を燃焼させることができ、燃費を向上させることができる。
−実施形態２の変形例１−

実施形態２において、火炎加速手段が、加速位置に磁場を形成する永久磁石であってもよい。
−実施形態２の変形例２−

実施形態２において、コイル２００をエンジン本体部１６の外側に配置してもよい。その場合は、エンジン本体部１６を非磁性の材料により構成する。
《その他の実施形態》

上記実施形態は、以下のように構成してもよい。

上記実施形態において、プラズマ装置３０が、スパークプラグ１５のような放電器を有しておらず、電磁波のみにより電磁波プラズマを生成するように構成されていてもよい。

また、上記実施形態において、高電圧パルスの印加箇所と電磁波の発振箇所とが別々であってもよい。その場合、スパークプラグ１５の中心電極１５ａとは別に電磁波用のアンテナが設けられる。混合器３４は必要なく、点火コイル３１とスパークプラグ１５とが直接接続され、電磁波発振器３３と電磁波用のアンテナとが直接接続される。この場合は、パルス電源３２と電磁波発振器３３と電磁波用のアンテナが、電磁波放射手段を構成する。電磁波用のアンテナは、スパークプラグ１５に内蔵してもよいし、スパークプラグ１５と別体にしてシリンダヘッド２２に設けてもよい。

以上説明したように、本発明は、エンジンの燃焼室に電磁波を放射して電磁波プラズマを生成することにより混合気を着火させるプラズマ装置について有用である。

１０ 燃焼室
１５ スパークプラグ（電離手段）
１５ａ 中心電極（電磁波放射手段）
１６ エンジン本体部
２０ エンジン
３０ プラズマ生成装置
３５ 制御器（着火制御手段、火炎加速手段）

Claims (2)

1. ピストンが往復運動するレシプロエンジンの燃焼室に電磁波を放射する電磁波放射手段を備え、
   上記燃焼室において混合気を着火させるタイミングで、上記電磁波放射手段により燃焼室へ電磁波を放射して電磁波プラズマを生成することにより上記混合気を着火させるプラズマ装置であって、
   上記混合気の着火後の火炎伝播中に燃焼室へ電磁波が放射されるように上記電磁波放射手段を制御して、放射された電磁波と伝播火炎中の電子とを共鳴させることにより火炎伝播速度を増大させる火炎加速手段を備え、
   該火炎加速手段が、各吸排気バルブ及びシリンダヘッドの燃焼室露出面に通過部を形成し、吸排気バルブが閉じられたときに各通過部が互いに接続されることにより構成されるコイルと、
   伝播火炎が所定の加速位置を通過する際に上記電磁波放射手段に電磁波を放射させ、且つ、上記コイルに電流を流通させる加速用制御手段を構成する制御器とからなる
   ことを特徴とするプラズマ装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ装置において、
   上記燃焼室のガスを電離にさせる電離手段を備え、
   上記燃焼室において混合気を着火させるタイミングで、上記電離手段により燃焼室のガスを電離させると共に、上記電磁波放射手段により燃焼室へ電磁波を放射することにより、電磁波プラズマを生成する
   ことを特徴とするプラズマ装置。

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