JP6152534B2 - プラズマ生成装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関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プラズマ生成装置に関するものである。
従来から、内燃機関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プラズマ生成装置が知られている。この種のプラズマ生成装置が、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、マイクロ波によりマイクロ波プラズマが生成される内燃機関が記載されている。この内燃機関では、スパークプラグの放電電極により形成された放電プラズマに、電磁波放射器（アンテナ）から電磁波が照射されて放電プラズマが成長拡大する。この内燃機関は、内部ＥＧＲ方式の内燃機関であり、吸気行程が始まる直前に残留ガス中の成分がプラズマ処理される。
特開２００９−３６２００号公報
ところで、従来のプラズマ生成装置では、電磁波プラズマが１箇所で生成されるだけであるため、燃焼室のガスと電磁波プラズマを十分に接触させることが困難である。
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、内燃機関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プラズマ生成装置において、燃焼室のガスと電磁波プラズマの接触を増やして燃焼を促進させることにある。
第１の発明は、内燃機関の燃焼室へ放射する電磁波を発振する電磁波発振器と、上記電磁波発振器から供給される電磁波を上記燃焼室へ放射するためのアンテナと、上記内燃機関の運転状態に基づいて電磁波発振器を制御して、上記アンテナから燃焼室へ放射される電磁波により電磁波プラズマを生成する制御手段とを備えたプラズマ生成装置を対象とし、上記アンテナは、上記燃焼室の天井面又は壁面に沿って延び、電磁波が供給された状態のアンテナ表面において電場の強度が相対的に強い強電場の位置を変化させる調節手段を備え、上記制御手段は、上記電磁波プラズマの生成期間に上記調節手段を制御して電磁波プラズマの位置を変化させる。
第１の発明では、電磁波を放射箇所となるアンテナが、燃焼室の天井面又は壁面に沿って延びている。プラズマ生成装置では、電磁波プラズマの生成期間に調節手段が制御される。そうすると、電磁波が供給された状態のアンテナ表面において強電場の位置が変化し、電磁波プラズマの位置が変化する。
第２の発明は、第１の発明において、上記内燃機関が、燃焼室へ燃料を噴射するインジェクターを備え、上記制御手段は、上記インジェクターから燃料が噴射される際に電磁波プラズマを生成し、該電磁波プラズマの生成期間に上記インジェクターから噴射される噴流の拡散状態に基づいて上記調節手段を制御する。
第２の発明では、インジェクターから燃料が噴射される際に電磁波プラズマが生成される。そして、その電磁波プラズマの生成期間に、インジェクターから噴射される噴流の拡散状態に基づいて調節手段が制御され、電磁波プラズマの位置が変化する。
第３の発明は、第１の発明において、上記内燃機関の燃焼室では、混合気が強制着火されて伝播火炎が形成され、上記制御手段は、伝播火炎の形成中に電磁波プラズマを生成し、該電磁波プラズマの生成期間に伝播火炎の状態に基づいて上記調節手段を制御する。
第３の発明では、伝播火炎の形成中に電磁波プラズマが生成される。そして、その電磁波プラズマの生成期間に、伝播火炎の状態に基づいて調節手段が制御され、電磁波プラズマの位置が変化する。
第４の発明は、内燃機関の燃焼室へ放射する電磁波を発振する電磁波発振器と、上記電磁波発振器から供給される電磁波を上記燃焼室へ放射するためのアンテナと、上記内燃機関の運転状態に基づいて電磁波発振器を制御して、上記アンテナから燃焼室へ放射される電磁波により電磁波プラズマを生成する制御手段とを備えたプラズマ生成装置を対象とし、上記アンテナは、上記燃焼室の天井面又は壁面に複数設けられ、上記制御手段は、上記電磁波プラズマの生成期間に、電磁波を供給するアンテナを変化させて電磁波プラズマの位置を変化させる。
第４の発明では、電磁波を放射箇所となるアンテナが、燃焼室の天井面又は壁面に複数設けられている。プラズマ生成装置では、電磁波プラズマの生成期間に電磁波を供給するアンテナが変わり、それに応じて電磁波プラズマの位置が変わる。
第５の発明は、第４の発明において、上記内燃機関が、燃焼室へ燃料を噴射するインジェクターを備え、上記複数のアンテナは、上記インジェクターの噴口からの燃料の噴射方向に沿って配列されている。
第５の発明では、複数のアンテナが、インジェクターの噴口からの燃料の噴射方向に沿って配列されている。従って、噴口から噴射された燃料の拡散に合わせて、電磁波プラズマを生成する位置を変化させることができる。
第６の発明は、第５の発明において、上記燃焼室においてスワールが形成され、上記複数のアンテナは、上記インジェクターの噴口から噴射方向に真っ直ぐ延びる線に対してスワールの流れ方向にずれた位置に配置されている。
第６の発明では、複数のアンテナが、インジェクターの各噴口から噴射方向に真っ直ぐ延びる線に対してスワールの流れ方向にずれた位置に配置されている。複数のアンテナの位置は、スワールの流れ方向を考慮して決定されている。
第７の発明は、第５の発明において、上記制御手段が、上記電磁波プラズマの生成期間に、上記インジェクターにおける燃料の噴射条件に基づいて、上記噴口から噴射される噴流に接触させる電磁波プラズマの数を変化させる
第７の発明では、インジェクターにおける燃料の噴射条件（例えば、噴霧流量、噴霧圧力）に基づいて、噴口から噴射される噴流に接触させる電磁波プラズマの数が変化する。例えば、噴霧流量が多いほど、噴流に接触させる電磁波プラズマの数が増やされる。
第８の発明は、第２又は第５の発明において、上記制御手段が、上記内燃機関の過渡運転の際に、上記インジェクターからの燃料の噴射量の変化に応じて、電磁波発振器が出力する電磁波のエネルギーの大きさを変化させる。
第８の発明では、内燃機関の過渡運転の際に、インジェクターからの燃料の噴射量の変化に応じて、電磁波発振器が出力する電磁波のエネルギーの大きさが変化する。
第９の発明は、内燃機関の燃焼室へ放射する電磁波を発振する電磁波発振器と、上記電磁波発振器から供給される電磁波を上記燃焼室へ放射するためのアンテナと、上記内燃機関の運転状態に基づいて電磁波発振器を制御して、上記アンテナから燃焼室へ放射される電磁波により電磁波プラズマを生成する制御手段とを備えたプラズマ生成装置を対象とし、上記アンテナから放射される電磁波の波長を強制的に変化させて、上記電磁波プラズマの生成期間に電磁波プラズマの位置を変化させる調節手段を備えている。
第９の発明では、アンテナから放射される電磁波の波長を強制的に変化させる。その結果、燃焼室における強電場の位置が変化して、電磁波プラズマの位置が変化する。
第１０の発明は、第９つの発明において、上記調節手段は、形状が可変に構成されて、上記アンテナの表面の一部を覆う被覆部材であり、上記電磁波プラズマの生成期間に上記被覆部材の形状が変化することで、上記アンテナの表面抵抗を変化させて、上記アンテナから放射される電磁波の波長を強制的に変化させる。
第１０の発明では、電磁波プラズマの生成期間に、被覆部材の形状が変化し、アンテナの表面抵抗が変化する。その結果、アンテナから放射される電磁波の波長が変化し、燃焼室における強電場の位置が変化して、電磁波プラズマの位置が変化する。
第１１の発明は、第１乃至第１０の何れか１つの発明において、上記電磁波プラズマの生成期間に上記燃焼室のガス流動の向きとは反対側へプラズマを移動させる。
第１１の発明では、燃焼室のガス流動の向きとは反対側へプラズマが移動するので、混合気とプラズマの接触が促進される。
第１２の発明は、第１乃至第１１の何れか１つの発明において、上記燃焼室において自由電子を強制的に放出させる電子放出手段を備え、上記電子放出手段により強制的に自由電子を放出させると共に、上記アンテナから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１２の発明では、電子放出手段により強制的に放出された自由電子を電磁波のエネルギーにより加速させることにより、電磁波プラズマが生成される。強制的に放出される自由電子は、電磁波プラズマの契機となる。
第１の発明では、電磁波プラズマの生成期間に、調節手段を制御することで電磁波プラズマの位置を変化させる。従って、１箇所に電磁波プラズマを生成する場合に比べて、電磁波プラズマと接触する燃焼室のガスが増えて燃焼を促進させることができる。
また、第４の発明では、電磁波プラズマの生成期間に電磁波を供給するアンテナを変化させることで、電磁波プラズマの位置を変化させる。従って、１箇所に電磁波プラズマを生成する場合に比べて、電磁波プラズマと接触する燃焼室のガスが増えて燃焼を促進させることができる。
また、第９の発明では、電磁波プラズマの生成期間に電磁波の波長を強制的に変化させることで、電磁波プラズマの位置を変化させる。従って、１箇所に電磁波プラズマを生成する場合に比べて、電磁波プラズマと接触する燃焼室のガスが増えて燃焼を促進させることができる。
図１は、実施形態１に係る内燃機関の縦断面図である。 図２は、実施形態１に係る内燃機関の燃焼室の天井面の正面図である。 図３は、実施形態１に係るプラズマ生成装置の概略構成図である。 図４は、実施形態２に係る内燃機関の燃焼室の天井面の正面図である。 図５は、実施形態２に係るプラズマ生成装置の概略構成図である。 図６は、実施形態３に係るプラズマ生成装置のアンテナの概略図である。
以下、本発明の実施形態１を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態１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、本発明に係るプラズマ生成装置３０を備えた内燃機関２０である。内燃機関２０は、燃焼室２１において燃料を圧縮着火させるディーゼルエンジンである。プラズマ生成装置３０は、マイクロ波プラズマを利用して燃焼室２１の燃焼を促進させる。以下では、プラズマ生成装置３０について説明する前に内燃機関２０について説明する。
−内燃機関−
内燃機関２０は、図１に示すように、内燃機関本体２２と燃料噴射装置２４とを備えている。
内燃機関本体２２は、シリンダブロック４２とシリンダヘッド４４とピストン４６とを備えている。シリンダブロック４２には、横断面が円形のシリンダ４８が複数形成されている。各シリンダ４８には、ピストン４６が往復自在に嵌め込まれている。ピストン４６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４２に回転自在に支持されている。各シリンダ４８内においてシリンダ４８の軸方向にピストン４６が往復運動すると、コネクティングロッドがピストン４６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４４は、ガスケット４３を挟んで、シリンダブロック４２上に載置されている。シリンダヘッド４４は、ピストン４６及びシリンダ４８と共に、燃焼室２１を区画している。シリンダヘッド４４では、燃焼室２１に露出する面が燃焼室２１の天井面を構成している。また、シリンダ４８では、燃焼室２１に露出する内周面が燃焼室２１の壁面を構成している。
シリンダヘッド４４には、各シリンダ４８に対して、インジェクター５０が１つずつ設けられている。インジェクター５０は、燃焼室２１の天井面の中心に設けられている。インジェクター５０についての詳細は後述する。
シリンダヘッド４４には、各シリンダ４８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が設けられている。吸気ポート２５は、燃焼室２１においてスワールが発生するように構成されている。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。
ピストン４６の頂面には、燃焼室２１を形成するキャビティ１８が形成されている。キャビティ１８は、開口が円形であり、その開口の縁から側面が外側へ膨らんでいる。開口の中心は、ピストン４６の軸心に一致している。キャビティ１８の底面は、シリンダヘッド４４側へ突出する円錐面である。
燃料噴射装置２４は、内燃機関本体２２に取り付けられて、燃焼室２１に燃料を噴射する。燃料噴射装置２４は、コモンレール式の燃料噴射装置であり、１回の燃焼サイクルにおいてパイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフター噴射およびポスト噴射の多段噴射を行う。
燃料噴射装置２４は、図１に示すように、各シリンダ４８にそれぞれ設けられたインジェクター５０と、各インジェクター５０へ供給する高圧燃料を蓄える蓄圧器５２と、燃料タンク５３の燃料を加圧して蓄圧器５２に供給する供給ポンプ５４とを備えている。
インジェクター５０は、図２に示すように、互いに異なる方向へ燃料を噴射する複数の噴口５５（本実施形態１では４つの噴口）を有し、各噴口５５から燃焼室２１へ燃料を噴射する。複数の噴口５５は、インジェクター５０の軸心を中心に等角度間隔に配置されている。インジェクター５０は放射状に燃料を噴射する。各噴口５５は、燃焼を噴射する噴射方向が水平よりもやや下方（ピストン４６側）を向いている。各噴口５５からは、キャビティ１８内へ燃料が噴射される。各噴口５５から噴射された噴流５６は、スワールにより曲げられる。
−プラズマ生成装置−
プラズマ生成装置３０は、インジェクター５０から燃料が噴射される際に、燃焼室２１にマイクロ波を放射してマイクロ波プラズマ（電磁波プラズマ）を生成する。プラズマ生成装置３０は、各シリンダ４８に対して、１つずつ設けられている。
プラズマ生成装置３０は、図３に示すように、パルス発生器３１と放電器３５と電磁波用電源３２と電磁波発振器３３とアンテナ３６と制御装置１０とを備えている。パルス発生器３１および放電器３５は、対になっており１組設けられている。電磁波発振器３３およびアンテナ３６は、対になっており、インジェクター５０の噴口５５と同数組設けられている。
パルス発生器３１は、直流電源（図示省略）に接続されている。パルス発生器３１は、例えばイグニッションコイルであり、制御装置１０から放電信号を受けると、直流電源から印加された電圧を昇圧し、昇圧後の高電圧パルスを放電器３５へ出力する。
放電器３５は、燃焼室２１において自由電子を強制的に放出させる電子放出手段を構成している。放電器３５は、燃焼室２１のガスを電離させることにより自由電子を強制的に放出させる。放電器３５は、例えばスパークプラグである。放電器３５は、パルス発生器３１に電気的に接続された放電電極と、その放電電極との間に放電ギャップを形成する接地電極とを備えている。放電器３５では、放電ギャップが燃焼室２１に位置している。
電磁波用電源３２は、直流電源に接続されている。電磁波用電源３２では、直流電源からの電流をパルス電流に変換して各電磁波発振器３３に出力するパルス発振部が、各電磁波発振器３３に対応して設けられている。電磁波用電源３２は、制御装置１０から電磁波発振信号（例えばＴＴＬ信号）を受けると、各パルス発振部が、対応する電磁波発振器３３へ、所定のデューティー比で所定の設定時間に亘ってパルス電流を出力する。
各電磁波発振器３３は、例えばマグネトロンや半導体発振器である。各電磁波発振器３３は、パルス電流を受けると、対応するアンテナ３６にマイクロ波パルスを出力する。
各アンテナ３６は、燃焼室２１の天井面に設けられている。図２に示すように、各アンテナ３６は、インジェクター５０の各噴口５５に対応して配置されている。各アンテナ３６は、吸気ポート２５及び排気ポート２６の４つの開口のうち２つの開口の間を燃焼室２１の天井面に沿って内側から外側へ延びている。
具体的に、各アンテナ３６は、燃焼室２１の天井面を下方から見た場合に、各噴口５５から噴射された噴流５６が通過する位置に配置されている。各アンテナ３６は、インジェクター５０の各噴口５５から噴射方向に沿って延びている。但し、各アンテナ３６の外側は、スワールの流れ方向へ曲がっている。各アンテナ３６の形状は、スワールの流れ方向を考慮して決定されている。各噴口５５から噴射された噴流５６は、図２において、スワールにより反時計回りの方向に曲げられ、アンテナ３６に沿って拡散する。各アンテナ３６は、燃焼室２１の天井面において、インジェクター５０の各噴口５５から噴射された噴流５６の通過領域に沿って延びている。
また、実施形態１では、各アンテナ３６にマイクロ波を送る各伝送ラインに、マイクロ波が供給された状態のアンテナ３６において電場の強度が相対的に強い強電場の位置を変化させるスタブ３７が設けられている。スタブ３７は、伝送ラインに接続され、伝送線路に対する接続位置から短絡位置までの電気長を変化させることが可能に構成されている。スタブ３７は、調節手段を構成している。スタブ３７の電気長は、制御装置１０により制御される。制御装置１０は、スタブ３７の電気長を変化させることにより、マイクロ波が供給された状態のアンテナ３６において強電場の位置が変化させる。このため、燃焼室２１の天井面に沿って延びるアンテナ３６上において、マイクロ波プラズマを生成する位置を変化させることが可能である。
制御装置１０は、マイクロ波プラズマの生成期間に、内燃機関２０の運転状態（例えば、燃焼室２１の状態）に基づいてスタブ３７を制御してマイクロ波プラズマの位置を変化させる。具体的に、制御装置１０は、マイクロ波プラズマの生成期間にインジェクター５０から噴射される噴流の拡散状態に基づいてスタブ３７を制御する。
プラズマ生成装置３０の動作について説明する。プラズマ生成装置３０は、制御装置１０により制御されて、マイクロ波プラズマを生成するプラズマ生成動作を行う。
プラズマ生成動作では、制御装置１０が、インジェクター５０の各噴口５５からメイン噴射の燃料が噴射される際に、パルス発生器３１に放電信号を出力すると同時に、電磁波用電源３２に電磁波発振信号を出力する。厳密には、制御装置１０は、放電信号よりも僅かに先に電磁波発振信号を出力する。
電磁波用電源３２は、電磁波発振信号を受けると、各パルス発振部が、所定のデューティー比で所定の設定時間（例えば、１ｍｓ）に亘ってパルス電流を出力し続ける。各電磁波発振器３３は、上記設定時間に亘ってマイクロ波パルスを所定のデューティー比で出力する。各電磁波発振器３３から出力されたマイクロ波パルスは、各アンテナ３６から燃焼室２１へ放射される。
他方、パルス発生器３１は、放電信号を受けると、高電圧パルスを出力する。放電器３５では、パルス発生器３１から高電圧パルスを受けると、放電ギャップでスパーク放電が生じる。
プラズマ生成動作では、マイクロ波パルスの燃焼室２１への放射開始タイミングがスパーク放電前であり、マイクロ波パルスの燃焼室２１への放射終了タイミングがスパーク放電後である。スパーク放電が生じる時点は、マイクロ波パルスの放射期間中である。マイクロ波パルスの放射期間は、燃焼室２１において電場の強度が相対的に強い強電場が、アンテナ３６の近傍に形成される。
実施形態１では、各アンテナ３６の外端に電磁波の伝送線路が接続されているので、各アンテナ３６の内端がアンテナの先端となる。プラズマ生成装置３０では、マイクロ波プラズマが生成開始時点においてマイクロ波の反射波の強度が小さくなるようにインピーダンスマッチングされており、各アンテナ３６では、内端が定在波の腹になって電場の強度が相対的に強くなる。各アンテナ３６の内端近傍の強電場では、マイクロ波パルスにより、スパーク放電により強制的にガス分子から放出された自由電子が加速される。加速された電子は、周囲の分子に衝突する。衝突された分子は、電離してプラズマになる。プラズマ中の電子もマイクロ波パルスにより加速され、その電子との衝突により周囲の分子がプラズマになる。このように、各アンテナ３６の内端近傍の強電場では、雪崩式にプラズマが生じ、比較的大きなマイクロ波プラズマが生成される。
実施形態１では、この状態から、制御装置１０が、各アンテナ３６に対応するスタブ３７の電気長を変化させて、各アンテナ３６における強電場の位置を内側から外側へ移動させる。そうすると、強電場の移動に伴って、マイクロ波プラズマが各アンテナ３６に沿って内側から外側へ移動する。マイクロ波プラズマは、噴流５６の拡散に従って外側へ移動する。
その後、電磁波発振信号の出力時点から上記設定時間が経過すると、マイクロ波パルスの発振が停止され、マイクロ波プラズマが消滅する。設定時間は、インジェクター５０の各噴口５５から噴射された噴流５６の末尾がアンテナ３６の外端を通過し終わるまでマイクロ波プラズマが維持されるように設定されている。
−実施形態１の効果−
本実施形態１では、マイクロ波プラズマの生成期間に、制御装置１０が内燃機関２０の運転状態に基づいてスタブ３７を制御することで、マイクロ波プラズマの位置を変化させる。マイクロ波プラズマは、噴流５６の拡散に対応して動かされる。従って、マイクロ波プラズマと接触する燃焼室２１のガス（蒸発した燃料）が増えて、燃焼を促進させることができる。
−実施形態１の変形例−
この変形例では、制御装置１０が、内燃機関２０の過渡運転の際に、インジェクター５０からの燃料の噴射量の変化に応じて、電磁波発振器３３が出力する電磁波のエネルギーの大きさを変化させる。
制御装置１０は、マイクロ波パルスのデューティー比を変化させることによってマイクロ波の単位時間当りのエネルギーの大きさを制御する。マイクロ波の単位時間当りのエネルギーを増大させる場合は、マイクロ波パルスのデューティー比が大きな値に設定される。なお、制御装置１０は、マイクロ波のピーク電流値を変化させることによってマイクロ波の単位時間当りのエネルギーの大きさを制御してもよい。また、制御装置１０は、マイクロ波パルスの継続時間を変化させることによって所定の期間内におけるマイクロ波のエネルギーの大きさを制御してもよい。
制御装置１０は、内燃機関２０の過渡運転の際に、インジェクター５０からの燃料の噴射量が多くなるほど、電磁波発振器３３が出力するマイクロ波のエネルギーの大きさを増大させる。そのため、燃料の燃え残りを抑制することができ、ススの発生やススに含まれる可溶有機分（ＳＯＦ）の発生を抑制することができる。
《実施形態２》
実施形態２について説明する。本実施形態２では、図４に示すように、インジェクター５０の各噴口５５に対して、複数のアンテナ３６（実施形態２では３つのアンテナ３６）からなるアンテナ群３８がそれぞれ設けられている。アンテナ群３８は、燃焼室２１の天井面に複数設けられている。アンテナ群３８は、インジェクター５０の噴口５５と同数設けられている。
各アンテナ群３８では、複数のアンテナ３６が、インジェクター５０の噴口５５からの燃料の噴射方向に沿って配列されている。複数のアンテナ３６は、インジェクター５０の噴口５５から噴射方向に真っ直ぐ延びる線に対して、スワールの流れ方向にずれた位置に配置されている。複数のアンテナ３６は、外側ほどスワールの流れ方向にずれた位置に配置されている。
プラズマ生成装置３０では、各アンテナ群３８に対して電磁波発振器３３が接続されている。各アンテナ群３８では、図５に示すように、複数のアンテナ３６が分配器３９を介して電磁波発振器３３に接続されている。制御装置１０は、分配器３９を制御することにより、電磁波発振器３３が発振するマイクロ波が供給されるアンテナ３６を切り換える。制御装置１０は、マイクロ波プラズマの生成期間に、内燃機関２０の運転状態（例えば、燃焼室２１の状態）に基づいて分配器３９を制御し、マイクロ波を供給するアンテナ３８を変化させてマイクロ波プラズマの位置を変化させる
プラズマ生成装置３０の動作について説明する。プラズマ生成装置３０は、制御装置１０により制御されて、マイクロ波プラズマを生成するプラズマ生成動作を行う。
プラズマ生成動作では、制御装置１０が、インジェクター５０の各噴口５５からメイン噴射の燃料が噴射される際に、パルス発生器３１に放電信号を出力すると同時に、電磁波用電源３２に電磁波発振信号を出力する。厳密には、制御装置１０は、放電信号よりも僅かに先に電磁波発振信号を出力する。
電磁波用電源３２は、電磁波発振信号を受けると、各パルス発振部が、所定のデューティー比で所定の設定時間（例えば、１ｍｓ）に亘ってパルス電流を出力し続ける。各電磁波発振器３３は、上記設定時間に亘って、各アンテナ群３８へマイクロ波パルスを所定のデューティー比で出力する。制御装置１０は、マイクロ波プラズマの生成開始時においては、各電磁波発振器３３から出力されたマイクロ波パルスが各アンテナ群３８の最内のアンテナ３６へ供給されるように分配器３９を制御する。各電磁波発振器３３から出力されたマイクロ波パルスは、各アンテナ群３８の最内のアンテナ３６から燃焼室２１へ放射される。
他方、パルス発生器３１は、放電信号を受けると、高電圧パルスを出力する。放電器３５では、パルス発生器３１から高電圧パルスを受けると、放電ギャップでスパーク放電が生じる。
プラズマ生成動作では、マイクロ波パルスの燃焼室２１への放射開始タイミングがスパーク放電前であり、マイクロ波パルスの燃焼室２１への放射終了タイミングがスパーク放電後である。スパーク放電が生じる時点は、マイクロ波パルスの放射期間中である。マイクロ波パルスの放射期間は、燃焼室２１において電場の強度が相対的に強い強電場が、各アンテナ群３８の最内のアンテナ３６の近傍に形成される。各アンテナ群３８の最内のアンテナ３６の近傍の強電場では、雪崩式にプラズマが生じ、比較的大きなマイクロ波プラズマが生成される。
実施形態２では、この状態から、制御装置１０が、アンテナ群３８に対応する分配器３９を制御して、アンテナ３８群において内側から外側へ順番に、電磁波が供給されるアンテナ３６を切り換える。そうすると、強電場が移動して、マイクロ波プラズマが内側から外側へ移動する。マイクロ波プラズマは、噴流５６の拡散に従って外側へ移動する。
その後、電磁波発振信号の出力時点から上記設定時間が経過すると、マイクロ波パルスの発振が停止され、マイクロ波プラズマが消滅する。設定時間は、インジェクター５０の各噴口５５から噴射された噴流５６の末尾が各アンテナ群３８の最外のアンテナ３６を通過し終わるまでマイクロ波プラズマが維持されるように設定されている。
−実施形態２の効果−
本実施形態２では、マイクロ波プラズマの生成期間に、制御装置１０が内燃機関２０の運転状態に基づいて、マイクロ波を供給するアンテナ３６を変化させることで、マイクロ波プラズマの位置を変化させる。従って、マイクロ波プラズマと接触する燃焼室２１のガス（蒸発した燃料）が増えて、燃焼を促進させることができる。
−実施形態２の変形例−
実施形態２の変形例では、制御装置１０が、マイクロ波プラズマの生成期間に、インジェクター５０における燃料の噴射条件（例えば、噴霧流量、噴霧圧力）に基づいて、噴口５５から噴射される噴流５６に接触させるマイクロ波プラズマの数を変化させる。
具体的に、制御装置１０は、噴霧流量が少ない第１条件では、各噴流５６に２つのマイクロ波プラズマを接触させる。制御装置１０は、アンテナ群３８において最内のアンテナ３６の次に最外のアンテナ３６にマイクロ波が供給されるように分配器３９を制御する。一方、制御装置１０は、第１条件に比べて噴霧流量が多い第２条件では、各噴流５６に３つのマイクロ波プラズマを接触させる。制御装置１０は、アンテナ群３８において最内のアンテナ３６から最外のアンテナ３６まで各アンテナ３６に順番にマイクロ波が供給されるように分配器３９を制御する。
《実施形態３》
本実施形態3では、プラズマ生成装置３０が、アンテナ３６から放射されるマイクロ波の波長を強制的に変化させて、マイクロ波プラズマの生成期間にマイクロ波プラズマの位置を変化させる調節手段６０を備えている。調節手段６０は、図６に示すように。形状が可変に構成されて、アンテナ３６の表面の一部を覆う被覆部材６０である。
被覆部材６０は、シリンダヘッド４４から突出するアンテナ３６の基部を被覆する筒状の部材である。被覆部材６０の先端側は、波状に切り欠かれている。被覆部材６０は、例えばピエゾ素子により構成されている。被覆部材６０は、電圧を印加する状態と電圧を印加しない状態とを切り替えることで、アンテナ３６の軸方向に伸縮する。例えば、被覆部材６０は、マイクロ波プラズマを生成後でマイクロ波プラズマを維持している状態のときに伸ばされる。その結果、アンテナ３６の表面抵抗が変化して、アンテナ３６から放射されるマイクロ波の波長が強制的に変化し、燃焼室２１における強電場の位置が変化する。そして、マイクロ波プラズマが、最初に生成された位置から移動する。
なお、被覆部材６０は、温度によって形状が変化するバイメタルであってもよい、
また、調節手段６０は、アンテナ３６に接続する同軸線路のインピーダンスを変化させることにより、アンテナ３６から放射されるマイクロ波の波長を強制的に変化させてもよい。
《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、内燃機関２０が、直噴式のガソリンエンジンであってもよい。インジェクター５０の各噴口５５に対して、実施形態１のようにアンテナ３６、若しくは実施形態２のようにアンテナ群３８が設けられる。
また、上記実施形態１において、内燃機関２０が火花点火式のガソリンエンジンであってもよい。燃焼室２１の天井面の中心には、スパークプラグが設けられている。燃焼室２１では、例えばスパーク放電により混合気が着火されて、着火位置から外側へ広がる伝播火炎が形成される。制御装置１０は、伝播火炎の形成中にマイクロ波プラズマを生成し、そのマイクロ波プラズマの生成期間に伝播火炎の状態に基づいてスタブ３７を制御する。例えば、制御装置１０は、マイクロ波プラズマの生成期間に、伝播火炎の広がりに合わせて、各アンテナ３６に対応するスタブ３７の電気長を変化させて、各アンテナ３６における強電場の位置を内側から外側へ移動させる。例えば、制御装置１０は、マイクロ波プラズマが伝播火炎の火炎帯に接触するように、マイクロ波プラズマを移動させる。
また、上記実施形態において、放電器３５の代わりに、燃焼室２１において熱電子を生じさせるグロープラグを設けてもよい。グロープラグは、シリンダ内の主燃焼室に設けてもよいし、主燃焼室に連通する副燃焼室に設けてもよい。プラズマ生成装置３０は、グロープラグにより生成された熱電子をアンテナ３６から放射したマイクロ波により加速させることによりマイクロ波プラズマを生成する。
また、上記実施形態において、メイン噴射以外の噴射（プレ噴射、パイロット噴射、アフター噴射、ポスト噴射）に対してマイクロ波プラズマを生成してもよい。
また、上記実施形態において、複数のアンテナ３６を燃焼室２１の壁面に設けてもよい。
また、上記実施形態において、プラズマ生成装置３０が、放電器３５を有しておらず、マイクロ波のみによりマイクロ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、過渡運転の際に、通常運転時に比べて、電磁波発振器３３が出力するマイクロ波のエネルギーの大きさを増大させて、マイクロ波プラズマの強度を強くしてもよい。また、可溶性有機物の生成量に応じて、マイクロ波プラズマの強度を変化させてもよい。また、過渡運転の際に、通常運転時に比べて、生成するマイクロ波のエネルギーの数を多くしてもよい。
以上説明したように、本発明は、内燃機関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プラズマ生成装置について有用である。
１０ 制御装置（制御手段）
２０ 内燃機関
２１ 燃焼室
３０ プラズマ生成装置
３３ 電磁波発振器
３６ アンテナ
３７ スタブ（調節手段）
５０ インジェクター
５５ 噴口
５６ 噴流

Claims (7)

  1. 内燃機関の燃焼室へ放射する電磁波を発振する電磁波発振器と、
    上記電磁波発振器から供給される電磁波を上記燃焼室へ放射するためのアンテナと、
    上記内燃機関の運転状態に基づいて電磁波発振器を制御して、上記アンテナから燃焼室へ放射される電磁波により電磁波プラズマを生成する制御手段とを備えたプラズマ生成装置であって、
    上記内燃機関は、燃焼室へ燃料を噴射するインジェクターを備え、
    上記アンテナは、上記燃焼室の天井面又は壁面に複数設けられ、
    上記燃焼室においてスワールが形成され、
    上記複数のアンテナは、上記インジェクターの噴口からの燃料の噴射方向に沿って配列されているとともに、上記インジェクターの噴口から噴射方向に真っ直ぐ延びる線に対してスワールの流れ方向にずれた位置に配置され、
    上記制御手段は、上記電磁波プラズマの生成期間に、電磁波を供給するアンテナを変化させて電磁波プラズマの位置を変化させることを特徴とするプラズマ生成装置。
  2. 請求項１に記載のプラズマ生成装置において、
    上記制御手段は、上記電磁波プラズマの生成期間に、上記インジェクターにおける燃料の噴射条件に基づいて、上記噴口から噴射される噴流に接触させる電磁波プラズマの数を変化させることを特徴とするプラズマ生成装置。
  3. 請求項１に記載のプラズマ生成装置において、
    上記制御手段は、上記内燃機関の過渡運転の際に、上記インジェクターからの燃料の噴射量の変化に応じて、電磁波発振器が出力する電磁波のエネルギーの大きさを変化させることを特徴とするプラズマ生成装置。
  4. 内燃機関の燃焼室へ放射する電磁波を発振する電磁波発振器と、
    上記電磁波発振器から供給される電磁波を上記燃焼室へ放射するためのアンテナと、
    上記内燃機関の運転状態に基づいて電磁波発振器を制御して、上記アンテナから燃焼室へ放射される電磁波により電磁波プラズマを生成する制御手段とを備えたプラズマ生成装置であって、
    上記アンテナから放射される電磁波の波長を強制的に変化させて、上記電磁波プラズマの生成期間に電磁波プラズマの位置を変化させる調節手段を備えている
    ことを特徴とするプラズマ生成装置。
  5. 請求項４に記載のプラズマ生成装置において、
    上記調節手段は、形状が可変に構成されて、上記アンテナの表面の一部を覆う被覆部材であり、
    上記電磁波プラズマの生成期間に上記被覆部材の形状が変化することで、上記アンテナの表面抵抗を変化させて、上記アンテナから放射される電磁波の波長を強制的に変化させることを特徴とするプラズマ生成装置。
  6. 請求項１乃至５の何れか１つに記載のプラズマ生成装置において、
    上記電磁波プラズマの生成期間に上記燃焼室のガス流動の向きとは反対側へプラズマを移動させることを特徴とするプラズマ生成装置。
  7. 請求項１乃至６の何れか１つに記載のプラズマ生成装置において、
    上記燃焼室において自由電子を強制的に放出させる電子放出手段を備え、
    上記電子放出手段により強制的に自由電子を放出させると共に、上記アンテナから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生成装置。
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