JP6191030B2 - プラズマ生成装置、及び内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、電磁波を利用してプラズマを生成するプラズマ生成装置、及びそのプラズマ生成装置を備えた内燃機関に関するものである。

従来から、電磁波を利用してプラズマを生成するプラズマ生成装置が知られている。例えば特開２００７−１１３５７０号公報には、この種のプラズマ生成装置を構成する点火装置が開示されている。

特開２００７−１１３５７０号公報に記載の点火装置は、内燃機関に設けられている。点火装置は、混合気の着火前や着火後に燃焼室にマイクロ波を放射して、プラズマ放電を起こす。点火装置は、高圧場においてプラズマが生成されるように、点火プラグの放電を用いて局所的なプラズマを作り、このプラズマをマイクロ波により成長させる。局所的なプラズマは、陽極端子の先端部とグランド端子部との間の放電ギャップに生成される。

特開２００７−１１３５７０号公報

ところで、従来の内燃機関では、電磁波が放射される放射アンテナの近傍にプラズマが生成される。これは、電磁波による電界が放射アンテナの近傍に集中するためと思われる。

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、電磁波を利用してプラズマを生成するプラズマ生成装置において、プラズマの生成領域を拡大することにある。

第１の発明は、電磁波を発生させる電磁波発生装置と、前記電磁波発生装置から供給された電磁波を対象空間へ放射するための放射アンテナと、前記放射アンテナに近接し、前記放射アンテナから電磁波が放射されている期間に亘って、前記放射アンテナに近接する近接部位の電圧が相対的に高くなるように接地された受信アンテナとを備え、前記放射アンテナから電磁波を放射することにより、前記対象空間における前記放射アンテナの近傍および前記近接部位の近傍にプラズマを生成するプラズマ生成装置である。

第１の発明では、プラズマを生成する際に、放射アンテナから電磁波が放射される。そうすると、放射アンテナの近傍には、対象空間において相対的に電界強度が強い強電界領域が形成される。受信アンテナでは、強電界領域の電界により誘導電流が流れ、放射アンテナの近接部位の電圧が相対的に高くなる。対象空間では、放射アンテナの近傍の強電界領域が、受信アンテナの近接部位まで広がる。その結果、放射アンテナの近傍に生成されるプラズマは、受信アンテナの近接部位まで広がる。

第２の発明は、第１の発明において、前記放射アンテナは、リング状又はＣ字状に形成され、前記受信アンテナは複数設けられ、各受信アンテナは、棒状に形成され、前記放射アンテナの外側において前記近接部位から前記放射アンテナから離れる側に延びている。

第３の発明は、第２の発明において、複数の受信アンテナの近接部位を電気的に接続する接続導体を備えている。

第４の発明は、第２又は第３の発明において、各受信アンテナは、前記放射アンテナから電磁波が放射されている期間に亘って、前記近接部位の電圧が相対的に高くなるように、接地回路を介して接地される一方、各受信アンテナの接地回路には、スイッチ素子が設けられている。

第５の発明は、第４の発明において、前記複数の受信アンテナは、前記スイッチ素子を制御することにより順番に接地される。

第６の発明は、第１から第５の何れか１つの発明において、前記放射アンテナから電磁波が放射される期間、又はその期間の直前に、前記対象空間において放電を生じさせる放電装置を備えている。

第７の発明は、第１から第３の何れか１つの発明において、請求項２から６の何れか１つに記載のプラズマ生成装置と、燃焼室の中央部に点火プラグが設けられた内燃機関本体とを備え、前記燃焼室の天井面において、前記放射アンテナが前記点火プラグを囲うように設けられ、前記複数の受信アンテナが前記放射アンテナの外側に放射状に配置されている。

第８の発明は、燃焼室が形成された内燃機関本体と、放射アンテナから前記燃焼室へ電磁波を放射する電磁波放射装置とを備え、前記燃焼室へ放射した電磁波により混合気の燃焼を促進させる内燃機関であって、前記放射アンテナに近接し、前記放射アンテナから電磁波が放射されている期間に亘って、前記放射アンテナに近接する近接部位の電圧が相対的に高くなるように接地された受信アンテナを備え、前記燃焼室において火炎の伝播中に、前記放射アンテナから電磁波を放射することにより、前記燃焼室における前記放射アンテナの近傍および前記近接部位の近傍に、前記燃焼室において電界強度が相対的に強い強電界領域を生成する。

本発明によれば、放射アンテナの近傍の強電界領域を広げる受信アンテナを設けているので、プラズマの生成領域を拡大することができる。

実施形態に係る内燃機関の縦断面図である。 実施形態に係る内燃機関の燃焼室の天井面の正面図である。 実施形態に係るプラズマ生成装置のブロック図である。 実施形態の変形例１に係る内燃機関の燃焼室の天井面の正面図である。 実施形態の変形例２に係る内燃機関の燃焼室の天井面の正面図である。 実施形態の変形例３に係る内燃機関の燃焼室の天井面の正面図である。

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。

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１０である。内燃機関１０は、ピストン２３が往復動するレシプロタイプの内燃機関である。内燃機関１０は、内燃機関本体１１とプラズマ生成装置３０とを備えている。内燃機関１０では、プラズマ生成装置３０が生成するプラズマにより燃焼室２０の混合気に点火して混合気を燃焼させる燃焼サイクルが繰り返し行われる。
−内燃機関本体−

内燃機関本体１１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、ピストン２３及びガスケット１８と共に、円形断面の燃焼室２０を区画する区画部材を構成している。燃焼室２０の直径は、例えば、後述する電磁波放射装置１３により燃焼室２０へ放射されるマイクロ波の波長の半分程度である。

シリンダヘッド２２には、各シリンダ２４に対して、後述する放電装置１２の一部を構成する点火プラグ４０が１つずつ設けられている。図２に示すように、点火プラグ４０では、燃焼室２０に露出する先端部が、燃焼室２０の天井面５１（シリンダヘッド２２における燃焼室２０に露出する面）の中心部に位置している。点火プラグ４０の先端部の外周は、その軸方向から見て円形である。点火プラグ４０の先端部には、中心電極４０ａ及び接地電極４０ｂが設けられている。接地電極４０ｂの先端部と中心電極４０ａの先端との間には、放電ギャップが形成されている。

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の吸気側開口２５ａ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。一方、排気ポート２６には、排気ポート２６の排気側開口２６ａを開閉する排気バルブ２８が設けられている。なお、内燃機関本体１１は、吸気行程から圧縮行程に亘って、燃焼室２０において強いタンブル流が形成されるように吸気ポート２５が設計されている。
−プラズマ生成装置−

プラズマ生成装置３０は、図３に示すように、放電装置１２と電磁波放射装置１３とを備えている。

放電装置１２は、燃焼室２０毎に設けられている。各放電装置１２は、高電圧パルスを出力する点火コイル１４と、点火コイル１４から出力された高電圧パルスが供給される上述の点火プラグ４０とを備えている。

点火コイル１４は、直流電源（図示省略）に接続されている。点火コイル１４は、電子制御装置３５から点火信号を受けると、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点火プラグ４０の中心電極４０ａに出力する。点火プラグ４０では、高電圧パルスが中心電極４０ａに印加されると、放電ギャップにおいて絶縁破壊が生じてスパーク放電が生じる。スパーク放電により放電プラズマが生成される。中心電極４０ａには、高電圧パルスとしてマイナスの電圧が印加される。

電磁波放射装置１３は、図３に示すように、電磁波発生装置３１と電磁波切替器３２と放射アンテナ１６とを備えている。電磁波放射装置１３では、電磁波発生装置３１と電磁波切替器３２が１つずつ設けられ、燃焼室２０毎に放射アンテナ１６が設けられている。

電磁波発生装置３１は、電子制御装置３５から電磁波駆動信号を受けると、所定のデューティー比でマイクロ波パルスを繰り返し出力する。電磁波駆動信号はパルス信号である。電磁波発生装置３１は、電磁波駆動信号のパルス幅の時間に亘って、マイクロ波パルスを繰り返し出力する。電磁波発生装置３１では、半導体発振器がマイクロ波パルスを生成する。なお、半導体発振器の代わりに、マグネトロン等の他の発振器を使用してもよい。

電磁波切替器３２は、１つの入力端子と、放射アンテナ１６毎に設けられた複数の出力端子とを備えている。入力端子は、電磁波発生装置３１に接続されている。各出力端子は、対応する放射アンテナ１６に接続されている。電磁波切替器３２は、電子制御装置３５により制御されて、複数の放射アンテナ１６の間で、電磁波発生装置３１から出力されたマイクロ波の供給先を順番に切り替える。

放射アンテナ１６は、燃焼室２０の天井面５１に設けられている。放射アンテナ１６は、燃焼室２０の天井面５１の正面視において、円環状に形成され、点火プラグ４０の先端部を囲っている。なお、放射アンテナ１６は、燃焼室２０の天井面５１の正面視において、Ｃ字状に形成されていてもよい。

放射アンテナ１６は、燃焼室２０の天井面５１における点火プラグ４０の取付孔の周囲に形成された環状の絶縁層１９の上に積層されている。絶縁層１９は、例えば溶射により絶縁体を吹き付けることにより形成されている。放射アンテナ１６は、絶縁層１９によりシリンダヘッド２２から電気的に絶縁されている。放射アンテナ１６の周方向の長さ（外周と内周の真ん中の中心線の長さ）は、放射アンテナ１６から放射されるマイクロ波の波長の２分の１の長さに設定されている。放射アンテナ１６は、シリンダヘッド２２に埋設されたマイクロ波の伝送線路３３を介して、電磁波切替器３２の出力端子に電気的に接続されている。

本実施形態では、図２に示すように、受信アンテナ５２が、吸気側開口２５ａ及び排気側開口２６ａのうち隣り合う２つの開口２５ａ，２６ａの間の領域に、それぞれ設けられている。受信アンテナ５２は４つ設けられている。各受信アンテナ５２は、真っ直ぐな棒状の導体である。各受信アンテナ５２は、シリンダ２４の径方向に沿って延びている。４つの受信アンテナ５２は、放射アンテナ１６の外側に放射状に配置されている。

各受信アンテナ５２は、燃焼室２０の天井面５１に形成された略矩形の絶縁層４９上に設けられている。各受信アンテナ５２は、絶縁層４９によってシリンダヘッド２２から電気的に絶縁されている。

各受信アンテナ５２は、内端が放射アンテナ１６に近接し、外端が接地回路５３を介して接地されている。各受信アンテナ５２と放射アンテナ１６との距離（各受信アンテナ５２の内端と放射アンテナ１６の外周との最短距離）は、放射アンテナ１６から放射されるマイクロ波の波長の８分の１以下となっている。そのため、放射アンテナ１６からマイクロ波が放射されると、放射アンテナ１６の近傍に形成される電界により、各受信アンテナ５２に誘導電流が流れる。

また、接地回路５３は、接地されたシリンダヘッド２２に、各受信アンテナ５２を接続している。各受信アンテナ５２の内端から接地回路５３における接地点までの距離Ｌは、式１の関係を満たす。ｎは０以上の整数である。λは放射アンテナ１６から放射されるマイクロ波の波長である。
式１：Ｌ＝（２ｎ＋１）×（λ／４）

各受信アンテナ５２では、放射アンテナ１６からマイクロ波パルスが繰り返し放射されているマイクロ波放射期間（１回の電磁波駆動信号に対応するマイクロ波の放射期間）に亘って、その内端が誘導電流による電圧波形の腹になる。各受信アンテナ５２は、マイクロ波放射期間に亘って、放射アンテナ１６に近接する近接部位の電圧が相対的に高くなるように接地されている。
−プラズマ生成動作−

プラズマ生成装置３０のプラズマ生成動作について説明する。

内燃機関１０では、ピストン２３が圧縮上死点の手前に位置する点火タイミングに、プラズマ生成装置３０が生成するマイクロ波プラズマにより混合気に点火する点火動作が行われる。点火動作では、電子制御装置３５が点火信号及び電磁波駆動信号を同時期に出力する。

放電装置１２では、点火信号を受けた点火コイル１４から高圧パルスが出力され、点火プラグ４０の中心電極４０ａに高電圧パルスが印加される。点火プラグ４０の放電ギャップでは、スパーク放電が生じ、放電プラズマが生成される。

また、電磁波放射装置１３では、電磁波駆動信号を受けた電磁波発生装置３１が、電磁波駆動信号のパルス幅の時間に亘って、マイクロ波パルスを繰り返し出力する。放射アンテナ１６からは、マイクロ波パルスが繰り返し出力される。放射アンテナ１６の近傍には、燃焼室２０において相対的に電界強度が強い強電界領域が形成される。

他方、各受信アンテナ５２では、上述したように、マイクロ波放射期間に誘導電流が流れる。各受信アンテナ５２では、内端から接地点までの距離Ｌが式１の関係を満たす。そのため、各受信アンテナ５２の内端が、定在波の腹になり、マイクロ波放射期間に亘って高電位になる。燃焼室２０では、放射アンテナ１６の近傍の強電界領域が、各受信アンテナ５２の近接部位まで広がる。

燃焼室２０では、強電界領域の電界により、放電プラズマ中の電子が加速される。加速された自由電子は、周囲の分子に衝突して、衝突した分子を電離させる。電離により生じた自由電子も、電界により加速され周囲の分子を電離させる。電離は雪崩式に生じる。その結果、放電プラズマが拡大し、強電界領域に亘ってマイクロ波プラズマが生成される。放射アンテナ１６の近傍に生成されるマイクロ波プラズマは、各受信アンテナ５２の近接部位まで広がる。マイクロ波プラズマの生成領域は、受信アンテナ５２を設けない場合に比べて大きくなる。

なお、本実施形態では、スパーク放電の実行タイミングに跨るようにマイクロ波放射期間を設定している。つまり、スパーク放電は、マイクロ波により強電界領域が生成されている期間の途中に行われる。

燃焼室２０では、マイクロ波プラズマにより混合気が着火する。火炎は、混合気が着火した着火位置からシリンダ２４の壁面へ向かって外側へ広がる。

なお、混合気の着火直後に、電磁波放射装置１３が、放射アンテナ１６から燃焼室２０へマイクロ波パルスを繰り返し出力してもよい。マイクロ波パルスは、火炎が放射アンテナ１６の設置箇所を通過する前から通過した後に亘って繰り返し放射される。放射アンテナ１６の近傍及び各受信アンテナ５２の近接部位の近傍では、火炎が放射アンテナ１６の設置箇所を通過する期間に、燃焼室２０において電界強度が相対的に強い強電界領域が形成される。火炎の伝播速度は、その火炎が強電界領域を通過する際にマイクロ波のエネルギーを受けて増大する。

なお、マイクロ波のエネルギーが大きい場合には、強電界領域においてマイクロ波プラズマが生成される。マイクロ波プラズマの生成領域では活性種（例えば、ＯＨラジカル）が生成される。強電界領域を通過する火炎の伝播速度は、活性種により増大する。
−実施形態の効果−

本実施形態では、放射アンテナ１６の近傍の強電界領域を広げる受信アンテナ５２を設けているので、マイクロ波プラズマの生成領域を拡大することができる。マイクロ波プラズマの生成領域が拡大すると、プラズマ生成領域の平均温度が低下するので、生成された活性種が瞬時に消滅することが抑制される。従って、マイクロ波プラズマにより生成された活性種により、効果的に火炎の伝播速度を増大させることができる。
−実施形態の変形例１−

実施形態の変形例１では、シリンダヘッド２２に、複数の受信アンテナ５２の近接部位を電気的に接続する接続導体６０（均圧導体）が設けられている。４つの受信アンテナ５２の内端は、図４に示すように、環状の導体である接続導体６０により電気的に接続されている。変形例１によれば、各受信アンテナ５２の内端の電位の大きさが均一化される。従って、４つの受信アンテナ５２の内端におけるマイクロ波プラズマの生成領域の大きさを均一化することができる。
−実施形態の変形例２−

実施形態の変形例２では、点火プラグ４０の中心電極４０ａが、放射アンテナを兼ねている。点火プラグ４０の中心電極４０ａには、高電圧パルスとマイクロ波とを混合可能な混合回路が接続されている。なお、混合回路は、別々の入力端子で点火コイル１４からの高電圧パルスと電磁波切替器３２からのマイクロ波とを受けて、同じ出力端子から高電圧パルスとマイクロ波を出力する。

各受信アンテナ５２の内端は、図５に示すように、点火プラグ４０に近接している。各受信アンテナ５２の内端から中心電極４０ａの外周までの距離は、中心電極４０ａから放射されるマイクロ波の波長の８分の１以下である。

変形例２では、混合気の着火直後に、中心電極４０ａからマイクロ波が放射される。そうすると、中心電極４０ａの近傍に強電界領域が形成され、各受信アンテナ５２では誘導電流が流れる。各受信アンテナ５２の内端は、定在波の腹になり、マイクロ波の放射期間に亘って高電位になる。その結果、中心電極４０ａの近傍に生成されるマイクロ波プラズマは、各受信アンテナ５２の近接部位まで広がる。なお、実施形態と同様に、点火動作においてマイクロ波プラズマを生成してもよい。
−実施形態の変形例３−

実施形態の変形例３では、図６に示すように、各受信アンテナ５２の接地回路５３にスイッチ素子５５が設けられている。各接地回路５３のスイッチ素子５５は、電子制御装置３５によりＯＮ／ＯＦＦされる。

４つの受信アンテナ５２に対応するスイッチ素子５５は、混合気が着火した直後のマイクロ波放射期間に、順番にＯＮに設定される。１つのスイッチ素子がＯＮに設定されているときは、残りのスイッチ素子５５がＯＦＦに設定される。

例えば、タンブル流の影響により、混合気が着火する着火位置が点火プラグ４０の中心から排気側にずれる場合は、排気側開口２６ａの間の第１受信アンテナ５２ａの内端、吸気側開口２５ａと排気側開口２６ａの間の第２及び第３受信アンテナ５２ｂ，５２ｃの内端、吸気側開口２５ａの間の第４受信アンテナ５２ｄの内端の順番で火炎が通過する。電子制御装置３５は、第１受信アンテナ５２ａ、第２受信アンテナ５２ｂ、第３受信アンテナ５２ｃ、第４受信アンテナ５２ｄの順番で、対応するスイッチ素子５５をＯＮに設定する。なお、第２受信アンテナ５２ｂと第３受信アンテナ５２ｃでは、スイッチ素子５５をＯＮに設定するタイミングが逆でもよいし、同時でもよい。

また、変形例３において、各受信アンテナ５２ａ〜５２ｄをスイッチ素子５５により接地するのではなく、逆バイアスの電圧を印加して、各受信アンテナ５２の電位を制御してもよい。
−その他の実施形態−

前記実施形態は、以下のように構成してもよい。

前記実施形態において、放射アンテナ１６が絶縁体または誘電体により被覆されていてもよい。また、受信アンテナ５２が絶縁体または誘電体により被覆されていてもよい。

また、前記実施形態では、点火動作においてマイクロ波プラズマを生成する際に、放電装置１２により放電プラズマを生成したが、放電プラズマを生成せずにマイクロ波だけでマイクロ波プラズマを生成してもよい。

また、前記実施形態では、混合気の着火直後にマイクロ波プラズマを生成する際に、放電プラズマを生成せずにマイクロ波だけでマイクロ波プラズマを生成したが、点火動作と同様に、放電装置１２により放電プラズマを生成し、その放電プラズマを契機としてマイクロ波プラズマを生成してもよい。

以上説明したように、本発明は、電磁波を利用してプラズマを生成するプラズマ生成装置、及びそのプラズマ生成装置を備えた内燃機関について有用である。

１０ 内燃機関
１１ 内燃機関本体
１２ 放電装置
１３ 電磁波放射装置
１６ 放射アンテナ
２０ 燃焼室
３０ プラズマ生成装置
３１ 電磁波発生装置
５２ 受信アンテナ

Claims (6)

1. 電磁波を発生させる電磁波発生装置と、
   前記電磁波発生装置から供給された電磁波を対象空間へ放射するためのリング状又はＣ字状に形成された放射アンテナと、
   前記放射アンテナに近接し、前記放射アンテナから電磁波が放射されている期間に亘って、前記放射アンテナに近接する近接部位の電圧が相対的に高くなるように接地されるとともに、棒状に形成され、前記放射アンテナの外側において前記近接部位から前記放射アンテナから離れる側に延びている複数の受信アンテナと、
   前記複数の受信アンテナの近接部位を電気的に接続する接続導体とを備え、
   前記放射アンテナから電磁波を放射することにより、前記対象空間における前記放射アンテナの近傍および前記近接部位の近傍に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。
2. 請求項１に記載のプラズマ生成装置おいて、
   各受信アンテナは、前記放射アンテナから電磁波が放射されている期間に亘って、前記近接部位の電圧が相対的に高くなるように、接地回路を介して接地される一方、
   各受信アンテナの接地回路には、スイッチ素子が設けられている
   ことを特徴とするプラズマ生成装置。
3. 請求項２に記載のプラズマ生成装置おいて、
   前記複数の受信アンテナは、前記スイッチ素子を制御することにより順番に接地される
   ことを特徴とするプラズマ生成装置。
4. 請求項１乃至３の何れか１つに記載のプラズマ生成装置おいて、
   前記放射アンテナから電磁波が放射される期間、又はその期間の直前に、前記対象空間において放電を生じさせる放電装置を備えている
   ことを特徴とするプラズマ生成装置。
5. 請求項１乃至４の何れか１つに記載のプラズマ生成装置と、
   燃焼室の中央部に点火プラグが設けられた内燃機関本体とを備え、
   前記燃焼室の天井面において、前記放射アンテナが前記点火プラグを囲うように設けられ、前記複数の受信アンテナが前記放射アンテナの外側に放射状に配置されている
   ことを特徴とする内燃機関。
6. 燃焼室が形成された内燃機関本体と、
   リング状又はＣ字状に形成された放射アンテナから前記燃焼室へ電磁波を放射する電磁波放射装置とを備え、
   前記燃焼室へ放射した電磁波により混合気の燃焼を促進させる内燃機関であって、
   前記放射アンテナに近接し、前記放射アンテナから電磁波が放射されている期間に亘って、前記放射アンテナに近接する近接部位の電圧が相対的に高くなるように接地されるとともに、棒状に形成され、前記放射アンテナの外側において前記近接部位から前記放射アンテナから離れる側に延びている複数の受信アンテナと、
   前記複数の受信アンテナの近接部位を電気的に接続する接続導体とを備え、
   前記燃焼室において火炎の伝播中に、前記放射アンテナから電磁波を放射することにより、前記燃焼室における前記放射アンテナの近傍および前記近接部位の近傍に、前記燃焼室において電界強度が相対的に強い強電界領域を生成する
   ことを特徴とする内燃機関。

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