JP6229121B2 - 内燃機関 - Google Patents

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Description

本発明は、アンテナ構造体及び内燃機関に関する。
エンジンにおいて、燃焼効率を改善し燃料消費率を低減させるために、点火プラグの放電電極の周囲にプラズマ発生領域を形成する高周波アンテナを備えた点火装置の開発が進められている（特開２００７−１１３５７０号公報参照）。この点火装置では、点火プラグ周辺の混合気に高周波を照射することで、燃焼効率を改善し、燃料消費率を低減することができる。このような高周波を放射するための放射アンテナとしては、一般に金属アンテナが用いられている。
しかし、高周波の放射アンテナとして従来の金属アンテナを用いると、損耗、劣化が激しく、耐久性が不十分であるという不都合がある。また、従来の放射アンテナは、高周波を着火点等の一点に供給することを目的としているため、火炎の進行に対応して適切な位置、タイミングで高周波を投入する性能を有していない。
特開２００７−１１３５７０号公報
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、高周波の放射による損耗及び劣化が起こり難く、また、流動する火炎に対応して効率よく高周波のエネルギーを投入する事が可能なアンテナ構造体、並びにこのアンテナ構造体及び点火装置を備える内燃機関を提供することを目的とする。
上記課題を解決するためになされた発明は、
高周波を伝送する高周波伝送線路と、
上記高周波伝送線路を介して供給される高周波を放射するための放射アンテナ部と、
を備えるアンテナ構造体であって、
上記放射アンテナ部が、棒状の金属アンテナと、この金属アンテナの少なくとも一部を被覆するセラミック層とからなることを特徴とするアンテナ構造体である。
本発明のアンテナ構造体は、棒状の金属アンテナの少なくとも一部がセラミック層で被覆されていることで、発生する電界の局在化を緩和することができる。すなわち、従来の金属アンテナにおいては、アンテナの最先端部分に局所的に電界が生じるのに対して、上記セラミック層で被覆されている金属アンテナにおいては、セラミック層で被覆されている領域全体にわたって広く電界が生じるため、流動する火炎に対応しても効率よく高周波のエネルギーを投入することができる。また、上記セラミック層で被覆されている金属アンテナは、損耗、劣化が起こり難い。
上記放射アンテナ部は鍔部を備えることが好ましい。当該アンテナ構造体において、上記放射アンテナ部が鍔部を備えることで、電界の指向性が向上すると共に、インピーダンス整合を取り易くなる。
本発明の内燃機関は、点火装置及び本発明のアンテナ構造体を備える。本発明の内燃機関は、上述の点火装置及び当該アンテナ構造体を備えることで、着火点において高周波を放射して安定着火を可能とすると共に、流動する火炎に対応して効率よく高周波のエネルギーを投入することができ、火炎伝播を促進することができる。その結果、当該内燃機関は、超希薄燃焼を可能とし、燃費及びＣＯ２の排出量を低減することができる。
上記アンテナ構造体の放射アンテナ部は、上記点火装置の点火プラグの近傍に配置されていることが好ましい。点火プラグの近傍に放射アンテナ部が配置されることで、着火時に点火プラグの放電電極に高周波を放射することができるため、着火安定性をより向上できる。その結果、当該内燃機関は、超希薄燃焼を可能とし、燃費及びＣＯ２の排出量を低減することができる。なお、上記「近傍」とは、上記放射アンテナ部から放射されるマイクロ波が上記点火プラグに届く範囲をいう。
本発明によると、高周波放射による損耗及び劣化が起こり難く、また、流動する火炎に対応して効率よく高周波のエネルギーを投入する事が可能な放射アンテナを備えるアンテナ構造体、並びに本発明のアンテナ構造体及び点火装置を備える内燃機関を提供することができる。その結果、エンジン等の内燃機関において超希薄燃焼を可能とし、燃費及びＣＯ２の排出量を低減することができ、省エネルギー効果、地球環境の改善効果を奏する。
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。 実施形態に係る点火装置及び高周波放射装置のブロック図である。 実施形態に係るアンテナ構造体の縦断面図である。 その他の実施形態に係るアンテナ構造体の縦断面図である。 実施形態の変形例に係るアンテナ構造体の縦断面図である。
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。
本実施形態は、本発明に係る内燃機関１０である。内燃機関１０は、図１に示すピストン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と点火装置１２と、アンテナ構造体３４を含む高周波放射装置１３と、制御装置（図示省略）とを備えている。内燃機関１０では、点火装置１２により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、アンテナ構造体３４が燃焼室２０へ放射する高周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、点火装置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（ａ）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。中心電極４０ａの先端と接地電極４０ｂの先端部との間には、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。
＜点火装置＞
点火装置１２は、燃焼室２０毎に設けられている。図３に示すように、各点火装置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、制御装置８０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。スパーク放電の放電経路には、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。
点火装置１２は、放電プラズマに電気エネルギーを供給して放電プラズマを拡大させるプラズマ拡大部として、放電プラズマに高周波（例えばマイクロ波）のエネルギーを供給することによりスパーク放電を拡大させる。プラズマ拡大部によれば、希薄な混合気に対して着火の安定性を向上させることができる。プラズマ拡大部として、後述する高周波放射装置１３を利用してもよい。
＜高周波放射装置＞
高周波放射装置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とアンテナ構造体３４とを備えている。高周波放射装置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毎にアンテナ構造体３４が設けられている。
電磁波発生装置３１は、制御装置８０から電磁波駆動信号（パルス信号）を受けると、その電磁波駆動信号のパルス幅の時間に亘って高周波を連続的に出力する。電磁波発生装置３１では、半導体発振器が高周波を生成する。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、アンテナ構造体３４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に電気的に接続されている。各出力端子は、対応するアンテナ構造体３４の入力端子に電気的に接続されている。電磁波切替器３２は、制御装置８０により制御されて、複数のアンテナ構造体３４の間で、電磁波発生装置３１から出力された高周波の供給先を順番に切り替える。
アンテナ構造体３４は、図４に示すように、放射アンテナ部３５及び高周波伝送線路６０を備える。放射アンテナ部３５は、セラミック層３７で被覆された金属アンテナ３６からなる。高周波伝送線路６０は、中心導体である高周波伝送用導体６１と、外側導体６４と、高周波伝送用導体６１と外側導体の間を埋める絶縁体６２とを備える。放射アンテナ部３５と高周波伝送線路６０とはコネクタ６３により繋がっている。
金属アンテナ３６は、棒状の形状を有する。この棒状の形状には円柱状、角柱状等の柱状、板状、帯状等の形状も含まれる。また、金属アンテナ３６は、本発明の効果を損なわない範囲で、内燃機関１０の形状、使用状況等に合わせ、湾曲した構造、一部分が折れ曲がった構造等としてもよい。さらに、表面に突起等を有していてもよい。
金属アンテナ３６の材料としては、導電体であれば特に限定されないが、例えば、タングステン、銅、銀、金、アルミニウム、亜鉛、鉛、スズ、ニッケル、クロム、鉄、コバルト等が挙げられる。これらのうち、耐久性、高周波の伝送効率に優れる観点から、タングステン、銅が好ましく、タングステンがより好ましい。
金属アンテナ３６の長さは、放射する高周波の波長に合わせて適宜選択することができ、上記波長の４分の１以下の長さであることが好ましい。金属アンテナ３６の径としては、通常０．５ｍｍ〜１０ｍｍであり、１ｍｍ〜３ｍｍが好ましい。
なお、金属アンテナ３６は、高周波伝送線路６０における高周波伝送用導体６１がコネクタ６３を貫通して表出したものであってもよい。すなわち、１本の導電体の先端の一部を金属アンテナ３６とし、残りの部分を高周波伝送用導体６１として用いてもよい。
本実施形態におけるセラミック層３７は、図４に示すように金属アンテナ３６の全表面を被覆している。セラミック層３７を有さない金属アンテナの場合には、強い電界がアンテナ先端部に局在する傾向があるのに対し、このようにセラミック層３７で被覆された金属アンテナ３６においては、アンテナ外周面全体に強い電界が生じ高周波を放射する。そのため、流動する火炎に対応して効率的に高周波のエネルギーを投入することができる。なお、金属アンテナ３６を被覆しているセラミック層３７の厚みとしては、電界の局在を緩和する効果を十分有するという観点から、通常５０μｍ〜２ｍｍの範囲であり、１００μｍ〜１ｍｍが好ましい。
高周波伝送用導体６１は直線上の導体である。高周波伝送用導体６１は、高周波伝送線路６０の全長に亘って絶縁体６２の軸心上に設けられている。一方、外側導体６４は、絶縁体６２を挟んで高周波伝送用導体６１を囲っている。外側導体６４は、その全長に亘って、高周波伝送用導体６１に対して一定の距離を隔てて設けられている。アンテナ構造体３４では、高周波伝送線路６０の一端が高周波の入力端子になっている。高周波伝送線路６０では、入力端子から入力された高周波が外側導体６４の外側へ漏れることなく放射アンテナ部３５に伝送される。
アンテナ構造体３４は、放射アンテナ部３５が燃焼室２０に露出するように、シリンダヘッド２２の吸気ポート２５側に取り付けられている。放射アンテナ部３５は、点火プラグ４０の方向に燃焼室２０の天井面に沿うように配置されている。アンテナ構造体３４は、シリンダヘッド２２の取付孔に螺合されている。アンテナ構造体３４は、高周波伝送線路６０の入力端子が同軸ケーブル（図示省略）を介して電磁波切替器３２の出力端子に接続されている。アンテナ構造体３４では、高周波伝送線路６０の入力端子から高周波が入力されると、高周波が高周波伝送線路６０のマイクロ波伝送用導体６１を通過する。高周波伝送線路６０を通過した高周波は、放射アンテナ部３５から燃焼室２０へ放射される。本実施形態においては、金属アンテナ３６の全体がセラミック層で被覆されているため、放射アンテナ部３５の全表面領域から高周波が放射され得る。
また、内燃機関本体１１では、燃焼室２０を区画する区画部材に、放射アンテナ部３５から燃焼室２０へ放射された高周波に共振する複数の受信アンテナ５２が設けられている。各受信アンテナ５２は、円環状に形成されている。図１に示すように、受信アンテナ５２は、ピストン２３の頂部に２つ設けられている。各受信アンテナ５２は、ピストン２３の頂面に形成された絶縁層５６によりピストン２３から電気的に絶縁され、電気的にフローティングの状態で設けられている。
＜制御装置の動作＞
制御装置８０の動作について説明する。制御装置８０は、各燃焼室２０に対して、１回の燃焼サイクルに、点火装置１２に混合気への点火を指示する第１動作と、混合気の着火後に電磁波放射装置１３に高周波の放射を指示する第２動作とを行う。
具体的に、制御装置８０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第１動作を行う。制御装置８０は、第１動作として点火信号を出力する。
点火装置１２では、点火信号を受けると、上述したように、点火プラグ４０の放電ギャップにおいてスパーク放電が生じる。混合気は、スパーク放電により着火する。混合気が着火すると、燃焼室２０の中心部の着火位置からシリンダ２４の壁面へ向かって火炎が広がる。
制御装置８０は、混合気が着火した後に、例えば火炎伝播の後半期間の開始タイミングに第２動作を行う。制御装置８０は、第２動作として電磁波駆動信号を出力する。
高周波放射装置１３は、電磁波駆動信号を受けると、上述したように、放射アンテナ部３５から連続波（ＣＷ）又はパルス制御された高周波を放射する。高周波は、火炎伝播の後半期間に亘って放射される。なお、電磁波駆動信号の出力タイミング及びパルス幅は、２つの受信アンテナ５２が設けられた領域を火炎が通過する期間に亘って高周波が放射されるように設定すればよい。
各受信アンテナ５２では、高周波が共振する。２つの受信アンテナ５２の近傍では、火炎伝播の後半期間の間ずっと、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。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高周波のエネルギーを受けて増大する。
なお、高周波のエネルギーが大きい場合には、強電界領域において高周波プラズマが生成される。高周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。
＜本実施形態の効果＞
本実施形態では、放射アンテナ部３５において、金属アンテナ３６の全表面がセラミック層で被覆されているため、電界の局在が緩和され、放射アンテナ部３５のどの表面領域からも高周波の放射が起こる。それにより、放射アンテナ部３５は、点火プラグ近傍では着火の安定性の向上に寄与し、流動する火炎に対しては、効率的に高周波のエネルギーを投入して伝播速度を促進することができる。その結果、超希薄燃焼が実現でき、燃費及びＣＯ２ガスの放出を低減することができる。
＜その他の実施形態＞
上記実施形態において、放射アンテナ部３５は、図５（ａ）に示す通り、金属アンテナ３６の最先端部分を露出させ、側面のみをセラミック層３７で被覆した構造であってもよい。
放射アンテナ部３５は、図５（ｂ）に示す通り、金属アンテナ３６の先端側の一部を露出させ、コネクタ６３側をセラミック層３７で被覆した構造であってもよい。上記露出している金属アンテナ３６の長さは、金属アンテナ３６の全長の１／３程度である。このような構造とすることで、金属アンテナ３６の最先端部分で点火プラグによる火花放電を拡大させ、セラミック層３７部分で火炎伝播を促進することができる。なお、金属アンテナ３６を露出させる長さは、全長の１／３程度に限られず、適宜変更することができる。なお、放射アンテナ部３５におけるセラミック層３７は、上述のような形態に限られず、金属アンテナ３６の中央部のみを被覆していてもよく、断続的に複数個所を被覆していてもよい。
放射アンテナ部３５は、図５（ｃ）に示す通り、金属アンテナ３６、セラミック層３７が突起構造を有していてもよい。このような構造とすることで、放射アンテナ部３５は電界強度をより細かく制御することができる。
放射アンテナ部３５は、図６（ａ）〜（ｄ）に示す通り、鍔部７０を備えることが好ましい。アンテナ構造体３４において、上記放射アンテナ部３５が鍔部７０を備えることで、電界の指向性が向上すると共に、インピーダンス整合を取り易くなる。鍔部７０は高周波を透過させない導体であることが好ましい。それにより、電界の指向性をより向上させることができる。
上記実施形態において、内燃機関内にアンテナ構造体３４を複数配置してもよい。例えば、図２（ｂ）に示す通り、４つのアンテナ構造体を、放射アンテナ部の先端が点火プラグ３４近傍になるよう放射状に配置することができる。このような構造とすることで、点火プラグによる着火がより安定し、火炎伝播がさらに促進される。なお、このとき、上記４つのアンテナ構造体３４を同時に作動させてもよいし、火炎の状態に合わせて、高周波放射のタイミングをずらすよう制御してもよい。
また、上記実施形態において、高周波伝送線路６０の高周波伝送用導体６１を省略して、高周波伝送線路６０を導波管としてもよい。
また、前記実施形態において、内燃機関１０が他のタイプ（ディーゼルエンジン、エタノールエンジン、ガスタービン等）のものであってもよい。また、内燃機関１０が航空機のエンジンである場合にエンジンの失火時に、点火装置１２及び高周波放射装置１３を用いて、スパーク放電によるプラズマを高周波により拡大した高周波プラズマを生成して再着火の安定性を高めることもできる。
以上説明したように、本発明によると、高周波放射による損耗及び劣化が起こり難く、また、流動する火炎に対応して効率よく高周波のエネルギーを投入する事が可能な放射アンテナを備えるアンテナ構造体、並びに本発明のアンテナ構造体及び点火装置を備える内燃機関を提供することができる。その結果、超希薄燃焼を可能とし、燃費及びＣＯ２の排出量を低減することができ、省エネルギー効果、地球環境の改善効果を奏する。

１０
内燃機関

１１
内燃機関本体

１２
点火装置

１３
高周波放射装置

１４
点火コイル

１８
ガスケット

２０
燃焼室

２１
シリンダブロック

２２
シリンダヘッド

２３
ピストン

２４
シリンダ

２５
吸気ポート

２５ａ
吸気側開口

２６
排気ポート

２６ａ
排気側開口

２７
吸気バルブ

２８
排気バルブ

２９
インジェクター

３１
電磁波発生装置

３２
電磁波切替器

３４
アンテナ構造体

３５
放射アンテナ部

３６
金属アンテナ

３７
セラミック層

４０
点火プラグ

４０ａ
中心電極

４０ｂ
接地電極

５1
燃焼室の天井面

５２
受信アンテナ

５６
絶縁層

６０
高周波伝送線路

６１
高周波伝送用導体

６２
絶縁体

６３
コネクタ

６４
外側導体

７０
鍔部

８０
制御装置

Claims (2)

  1. 内燃機関の燃焼室に配設する点火装置と、
    高周波を伝送する高周波伝送線路及び、該高周波伝送線路を介して供給される高周波を放射するための放射アンテナ部を備える内燃機関の燃焼室に配設するアンテナ構造体とからなる内燃機関であって、
    前記放射アンテナ部を、棒状の金属アンテナと、この金属アンテナの少なくとも一部を被覆するセラミック層とから構成するとともに、吸気バルブ間、排気バルブ間又は吸排気バルブ間において、放射アンテナ部の先端が点火装置の近傍に位置するよう、かつ、燃焼室の天井面との間に隙間が生じるように１又は複数延設配置するようにしたことを特徴とする内燃機関。
  2. 上記放射アンテナ部が鍔部を備える請求項１に記載の内燃機関。
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