JP6635341B2

JP6635341B2 - 圧縮着火式内燃機関の修理方法

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Publication number: JP6635341B2
Application number: JP2016544243A
Authority: JP
Inventors: 池田　裕二; 裕二池田
Original assignee: Imagineering Inc
Current assignee: Imagineering Inc
Priority date: 2014-08-20
Filing date: 2015-08-20
Publication date: 2020-01-22
Anticipated expiration: 2035-08-20
Also published as: JPWO2016027845A1; WO2016027845A1

Description

本発明は、軽油等の液体燃料を用いるディーゼルエンジン等の圧縮着火式内燃機関に関する。

圧縮着火式内燃機関の一種であるディーゼルエンジンでは、圧縮行程で高温になった空気に液体燃料を噴射することで着火させる。ディーゼルエンジンは、効率に優れ、様々な燃料（軽油、重油等の石油系燃料や、スクワレン、エステル系の液体燃料）に適用でき、小型高速機関から巨大な船舶用低速機関まで様々な機関に適用できる、といった長所がある。

しかし、ガソリンエンジン等の火花点火機関とは違い、ディーゼルエンジンの場合、自着火による燃焼を用いるので、スパークプラグの点火タイミング等による燃焼制御ができない。したがって、ＮＯｘやススの低減が困難であり、その結果、後処理装置の負荷が大きくなる、という欠点を有していた。

これに対し、近年ではコモンレールシステムの進化により、エンジンの高圧縮比化を実現し、これらの問題が解決されつつある。圧縮比を高くすれば、燃焼遅れ時間が減少できるため、ＮＯｘやススが低減できるからである。

また、メイン噴射に先立って噴射を行うことにより、排出ガスや燃焼騒音を図ることも提案されている（例えば、特許文献１、非特許文献１）。

一方で、ディーゼル排ガスを減らすための一手法として、レトロフィット技術がある。レトロフィット技術とは、既存のエンジンに対して部品を変更・追加することによりエンジンの排気性能を改善するものである。例えば、米国では、新車だけでなく、中古車に対しても排ガス規制を課している（例えば非特許文献２のアメリカ合衆国環境保護庁（ＥＰＡ：Environmental Protection Agency）のホームページ参照）。かといって、排ガス規制に満たない中古車本体を廃棄するのは環境資源保護の観点で好ましくない。そこで、エンジンや周辺部品のみの交換により、性能を向上させることを狙ったレトロフィット技術が注目されている。このレトロフィット技術に関する市場はアフターマーケットとも呼ばれている。

特開２０１０−２５５４８４号公報米国特許７９６３２６２号公報「ディーゼルエンジン用1800 barコモンレールシステム」（自動車技術、Vol. 58，No.4，2004年） http://www.epa.gov/cleandiesel/technologies/index.htm（米国EPAホームページ、平成26年8月20日検索）

しかし、ディーゼルエンジンの圧縮比を高めるための高性能なコモンレールシステムは高価である。また、機構面においても、高圧に対応するためには、従来以上の疲労強度、耐圧強度を確保する必要がある。その結果、エンジンが更に高価になる。

また、特許文献１や非特許文献１で提案された技術においても、高精度な噴射量、噴射タイミングの制御を必要としており、様々なエンジン運転条件に対応させることは容易ではなく、研究開発は盛んに行われているものの、現時点ではまだ実用化に至っていない。また、仮に実現したとしても、システムが高価になる。

また、システムが高価になるということは、エンジンの排気性能改善を安価で行いたいと考えているアフターマーケットのユーザのニーズにも合わない。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものである。

本発明の第１の態様の圧縮着火式内燃機関は、液体燃料を噴射するインジェクタと、共振構造によりマイクロ波を昇圧する昇圧回路、昇圧回路からの出力を受入れる第１電極、及び第１電極に近接して設けられる第２電極を有するイグナイタと、イグナイタに入力するマイクロ波を生成する生成器と、生成器が生成するマイクロ波のタイミングと大きさを制御する制御装置を備え、制御装置は、インジェクタが燃料を噴射する前のタイミングにおいて、イグナイタの第１電極と第２電極間で放電が行われるよう、生成器を制御する。

本発明の第２の態様の圧縮着火式内燃機関は、液体燃料を噴射するインジェクタと、共振構造によりマイクロ波を昇圧する昇圧回路、昇圧回路からの出力を受入れる第１電極、及び第１電極に近接して設けられる第２電極を有するイグナイタと、イグナイタに入力するマイクロ波を生成する生成器と、生成器によるマイクロ波生成の制御を行うことにより、イグナイタによる放電のタイミングを制御する制御装置を備え、制御装置は、インジェクタが燃料を噴射しているタイミング、又はインジェクタが燃料を噴射した後のタイミングにおいて、イグナイタの第１電極と第２電極間で放電が行われるよう、生成器を制御する。

本発明の修理方法は、液体燃料を噴射するインジェクタと、液体燃料の着火を補助するグロープラグを備えた圧縮着火式内燃機関に関するものであり、前記グロープラグを該圧縮着火式内燃機関のシリンダヘッドの挿入孔から取り外すステップ、前記挿入孔に、共振構造によりマイクロ波を昇圧する昇圧回路、昇圧回路からの出力を受入れる第１電極、及び第１電極に近接して設けられる第２電極を有するイグナイタを挿入するステップ、を含む。

本発明によれば、燃焼制御が可能な圧縮着火式内燃機関を提供することができる。

ディーゼルエンジン１０の構成を示す図である。イグナイタ３の構成を示す一部断面の正面図である。イグナイタ３の等価回路を示す図である。インジェクタ１による燃料噴射と、イグナイタ３による放電のタイミング制御の例を示す図である。インジェクタ１による燃料噴射と、イグナイタ３による放電のタイミング制御の他の例を示す図である。ディーゼルエンジン１００の構成を示す図である。ディーゼルエンジン１００のシリンダヘッドの底面図である。ディーゼルエンジン１１０のシリンダヘッドの底面図である。ディーゼルエンジン２００の構成を示す図である。インジェクタユニット６の構成を示す一部断面の正面図である。

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、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。

（第１の実施形態）
図１は、ディーゼルエンジン１０の構成を示す図である。このディーゼルエンジン１０は、本発明の圧縮着火式内燃機関の一例である。エンジン本体部に関しては、一部断面の正面断面図で示している。同図に示すように、ディーゼルエンジン１０のシリンダヘッド２１には、軽油燃料を燃焼室２８に噴射するインジェクタ１、燃焼室２８に噴射された燃料を点火するためのイグナイタ３が挿入される。イグナイタ３は、先端部が放電する、一種の点火プラグである。但し、通常のスパークプラグとは違い、マイクロ波（ＭＷ）発生器４２により発生した２．４５ＧＨｚ帯のマイクロ波が共振する構造となっており、共振によりマイクロ波が昇圧されて先端部（放電部）が高電圧となり、先端部で放電が起きる構成である点が相違する。

制御装置４１は、インジェクタ１の噴射タイミングや噴射圧（噴射の大きさ）を制御したり、マイクロ波発生器４２を制御したりする。マイクロ波発生器４２は、２．４５ＧＨｚの交流信号を発振器する発振器、マイクロ波のＯＮ／ＯＦＦを制御する回路、カーバッテリー（例えば直流１２Ｖ）の電源から生成されたマイクロ波をイグナイタ３の入力電圧仕様に合うように増幅を行う増幅回路等を備える。つまり、制御装置４１は、マイクロ波発生器４２を制御することで間接的にイグナイタ３を制御する。逆に言えば、マイクロ波発生器４２によるマイクロ波の生成タイミングを制御することにより、イグナイタ３の放電タイミングを自由に制御できる。リアクタンスの大きい点火コイルを使用する通常のスパークプラグでは、高速な応答は困難であり、連続的な放電を行うことが難しい。一方、イグナイタ３はマイクロ波により駆動するため高速な応答が可能であり、マイクロ波発生器４２を自由に制御することにより、任意のタイミングで高周波での、あたかも連続的な放電を生じさせることができる。従って、後述するような様々な制御が可能である。この点で従来のスパークプラグとは大きく相違する。

図２を参照して、イグナイタ３の構成の詳細を説明する。イグナイタ３は、マイクロ波が入力される入力部分３ａ、マイクロ波とイグナイタ３のインピーダンス整合等を目的とした容量結合が行われる結合部分３ｂ、及び電圧の増幅や放電を行う増幅／放電部分３ｃに分かれる。イグナイタ３は導電性の金属からなるケース３１により内部の各部材が収容される。

入力部分３ａには、外部の発振回路で生成されたマイクロ波を入力する入力端子３２、第１中心電極３３が設けられる。第１中心電極３３はマイクロ波を伝送する。第１中心電極３３とケース３１の間にはセラミック等の誘電体３９ａが設けられる。

結合部分３ｂには、第１中心電極３３、第２中心電極３４が設けられる。この結合部分３ｂは、専ら、発振回路とイグナイタ３のインピーダンス整合を行うことを目的に設けられている。第２中心電極３４は、増幅／放電部分３ｃ側に底部を有する筒状構成であり、筒状部が第１中心電極３３を囲む。棒状の第１中心電極３３と筒状の第２中心電極３４の筒部内壁は対向しており、この対向部分において第１中心電極３３からのマイクロ波が容量結合により第２中心電極３４へ伝送される。第２中心電極３４の筒状部分には、セラミック等の誘電体３９ｂが充填され、第２中心電極３４とケース３１の間にもセラミック等の誘電体３９ｃが設けられる。

増幅／放電部分３ｃには、第３中心電極３５、放電電極３６が設けられる。第３中心電極３５は、第２中心電極３４と接続しており、第２中心電極３４のマイクロ波が伝送される。放電電極３６は、第３中心電極３５の先端部に取付けられる。第３中心電極３５はコイル成分を有しており、マイクロ波の電位は第３中心電極３５を通過するに従い高くなる。その結果、放電電極３６とケース３１の間に数十ＫＶの高電圧が発生し、放電電極３６とケース３１の間で放電が起きる。

図３は、イグナイタ３の等価回路を示す図である。外部の発振回路（ＭＷ）から入力されるマイクロ波（電圧Ｖ１、周波数２．４５ＧＨｚ）は容量Ｃ１を介して、容量Ｃ３、リアクタンスＬ、容量Ｃ２からなる共振回路に接続される。また、容量Ｃ３と並列に放電部が設けられる。

ここで、Ｃ１は結合容量に相当し、主に第２中心電極３４と第１中心電極３３の位置関係（両電極間の距離や対向する面積）や電極間に充填される材料（本例ではセラミック構造の誘電体３９ｂ）により決まる。第１中心電極３３は、インピーダンスの調整を容易にすべく、その軸芯方向に移動可能な構成としても良い。

容量Ｃ２は、第２中心電極３４とケース３１によって形成される接地容量であり、第２中心電極３４とケース３１との距離や対向面積、及び誘電体３９ｃの誘電率によって決まる。ケース３１は導電性の金属で構成されており、接地電極としても機能する。

リアクタンスＬは、第３中心電極３５のコイル成分に相当する。

容量Ｃ３は、第３中心電極３５、放電電極３６及びケース３１によって形成される放電容量である。これは、（１）放電電極３６の形状、大きさ及びケース３１との距離、（２）第３中心電極３５とケース３１との距離、（３）第３中心電極３５とケース３１の間に設けた間隙（空気層）３７や誘電体３９ｄの厚み、等で決まる。Ｃ２＞＞Ｃ３とすれば、容量Ｃ３の両端の電位差をＶ１よりも十分に大きくすることができ、その結果、放電電極３６を高電位にすることができる。更にはＣ３を小さくすることができるから、コンデンサの面積も小さくて済む。なお、容量Ｃ３は実質的には、第３中心電極３５とケース３１のうち、誘電体３９ｄを挟んで対向する部分によって決まる。逆に言えば、間隙（空気層）３７の軸方向の長さを変えることで容量Ｃ３の調整を行うこともできる。

結合容量Ｃ１が十分に小さいと看做せる場合、容量Ｃ３、リアクタンスＬ、容量Ｃ２は直列共振回路をなし、共振周波数ｆは数式１で表現できる。

つまり、ｆ＝２．４５ＧＨｚとした場合に、放電容量Ｃ３、コイルリアクタンスＬ、及び接地容量Ｃ２が数式１の関係を満たすようにイグナイタ３は設計される。

上述のようにイグナイタ３は、共振器による昇圧方式により、電源電圧（イグナイタ３に入力されるマイクロ波の電圧Ｖ１）よりも高い電圧Ｖｃ３を生成する。これにより、放電電極３６と接地電極（ケース３１）間に放電が生じる。放電電圧が、その近辺のガス分子のブレークダウン電圧を超えると、ガス分子から電子が放出されて非平衡プラズマが生成され、燃料が点火する。

また、２．４５ＧＨｚ帯の周波数を使用するため、コンデンサの容量が小さく済み、イグナイタ３は、小型化に有利である。また、昇圧方式を採用する結果、イグナイタ３のうち、放電電極３６の近傍のみが高電位となるので、アイソレーションの点でも優れる。これらの点において、本発明のイグナイタは、従来の共振構造のイグナイタ（例えば、特許文献２）よりも優れている。

次に図４を参照して、インジェクタ１による燃料噴射と、イグナイタ３による放電のタイミング制御の例を示す。制御装置４１は、ピストン２７のクランク角度が大よそ−２０〜＋２０度の間において、軽油燃料が燃焼室２８に噴射されるよう、インジェクタ１を制御する。また、制御装置４１は、インジェクタ１が軽油燃料を噴射する前のタイミングにおいて、イグナイタ３の放電電極３６（第１電極）と接地電極でもあるケーシング４１（第２電極間）で放電が一定期間、連続的（断続的）に行われるよう、マイクロ波生成器４２を制御する。

このように、燃料の噴射に先立ってイグナイタ３が一定期間放電することにより、イグナイタ３近辺のガスが非平衡プラズマ化された状態となる。換言すれば、活性ラジカル（ＯＨラジカル）やオゾン等を発生、蓄積させておき、空気と燃料が混合しやすい状態にしておく。なる。このような状態下の燃焼室２８に軽油燃料を噴射すれば、例えば、希薄可燃（リーン）限界環境での着火が期待できる。また、空気と燃料が混合しやすくなるので、従来よりも低気圧での着火が可能となり、気化熱が少なくて済む結果、低い温度での着火が可能となる。この結果、圧縮比が低いエンジンであっても点火が可能となるので、エンジンの低価格化が可能となる。また、結果的には、着火遅れの低減にも寄与するので、ＮＯｘやススの発生を抑えることもでき、後処理装置の負荷が減り、安価な後処理装置で済む。これらにより、自動車の本体価格を低減することもできる。また、リーン限界での着火が可能となるので燃費も向上する。

なお、イグナイタ３は、マイクロ波により駆動するので、放電もマイクロ波（ＧＨｚ）の周期で行われる。従って、発生したラジカルが死滅する前に、次の放電が行われるから、発生したＯＨラジカル等は死滅せず維持される。これに対し、従来のスパークプラグでは、高周波でのスパークのＯＮ／ＯＦＦを行うことができないため、一端発生したラジカルはすぐに死滅してしまう。従って、従来のスパークプラグを用いた場合、上記のような作用効果を奏することはできない。

また、活性ラジカル（ＯＨラジカル）やオゾン等を発生させることにより、熱が発生する。これにより、電部近傍の温度が上昇する。従って、上記イグナイタ３は、グロープラグの代替品として捉えることもできる。グロープラグよりも消費電力が小さい点を鑑みると、イグナイタ３は、低消費電力化という効果があるとも言え、ひいてはバッテリーの寿命を延ばす効果がある。

図５は、燃料噴射、放電タイミングの他の制御例を示す。燃料噴射前に加え、噴射中、噴射後においてもイグナイタ３による放電を行うことは効果を奏する。

（１）噴射中の放電
通常のディーゼルエンジン１０では、燃料の噴射から一定時間の経過後（所謂、着火遅れ時間の後）着火する。上記説明とも重複するが、噴霧直後からイグナイタ３による連続放電を行うことにより、空気と燃料が混合しやすくなるので、気化熱が少なくて済み、着火遅れが減る。これにより、上述のとおり、ＮＯｘやススの低減効果がある。

更に、着火後も放電を継続すれば、ＯＨラジカルが継続的に生成されることで酸素の減少を抑えることができるので、火炎の延命に繋がる。また、火炎周囲へのプラズマ成長にもつながるので、火炎を拡大させる効果もある。

（２）噴射後の放電
噴射後にもイグナイタ３による放電を行うことにより、ススを減らすことができる。その理由として、火炎の燃焼の継続による熱でススを焼き切ることができる、ことが挙げられる。

（第２の実施形態）
図６は、第２実施形態に係るディーゼルエンジン１００の構成を示す図である。エンジン本体部に関しては、一部断面の正面断面図で示している。図７は、このディーゼルエンジン１００のシリンダヘッド２１’の底面図である。

これらの図に示すように、本実施形態ではイグナイタ３を６個有している。本実施形態ではインジェクタ１は６つの噴射ノズルを有しており、各噴射ノズルの方向に対応させて、６つのイグナイタを配置している。これにより、各ノズルから噴射される燃料に対し確実に放電することができる。また、燃料噴射前にあっては、燃料が噴射される領域のラジカルを予め、効果的に増やすことができる。

（第３の実施形態）
図８は、第３実施形態に係るディーゼルエンジン１１０の構成を示す図であり、特にディーゼルエンジン１１０のシリンダヘッド２１’’の底面図である。

ディーゼルエンジン１１０では、吸気ポート２４間、排気ポート２６間、吸気ポート２４と排気ポート２６間に合計で４つのイグナイタ３が配置される。つまり、インジェクタ１から離れた位置に４つのイグナイタを配置することにより、いわば多点での着火が促進される。また、多点着火により火炎伝播距離が短縮され、初期燃焼期間の短縮、主燃焼期間の短縮、安定化が可能となる。また、火炎伝播距離の短縮により、自着火に至る前に火炎伝播が終了し、ノッキングが抑制される。また、燃焼室中心部へ火炎伝播を行う効果も期待でき、低温であるシリンダ壁面での熱損失を低減でき、熱効率の向上を図ることもできる。また、ＮＯｘ排出の抑制も可能である。

（第４の実施形態）
図９は、本発明の第４実施形態に係るディーゼルエンジン２００の構成を示す図である。本実施形態では、インジェクタとイグナイタを一体化したインジェクタユニット６を採用する点で、第１〜３実施形態と相違する。

図１０は、インジェクタユニット６の構成を示す一部断面の正面図である。インジェクタユニット６は、インジェクタ６１と、イグナイタ３と、これらを収納するケーシング６４からなる。

イグナイタ３は、ケーシング６４の中心軸上に配置され、これに隣接して２つのインジェクタ６１が配置される。インジェクタ６１は、イグナイタ３と一体化する関係上、第１実施形態のインジェクタ１よりも小型化されたものを用いる。インジェクタを小型化した分、燃料の噴射量が低下するため、これを補うべく、インジェクタユニット６はインジェクタを複数（２個）用いている。一方、イグナイタ３は、前述の各実施形態で用いられたものと同じである。

ディーゼルエンジン２００によっても、第１、第２実施形態と同様の噴射制御、放電制御を行うことで、ＮＯｘやススの低減など等同様の効果を奏する。但し、本実施形態は、インジェクタユニット６に収容する必要上、インジェクタの仕様が第１、第２実施形態と異なるため、噴射のタイミング制御は若干異なる。しかし、基本的な制御内容は同じである。

また、インジェクタユニット６に収容する必要上、イグナイタ３に関しても、第１実施形態よりも小型なもの、外形が異なるもの、内部構造が異なるものを用いても良い。

本実施形態では、インジェクタユニットにインジェクタとイグナイタの両方を収容している。従って、アフターマーケット向け技術として適している。つまり、既存のディーゼルエンジン用のインジェクタを取り外し、このインジェクタユニット６に差し替えることによって、燃費の向上やＮＯｘ低減等の効果を奏するからである。

以上、本発明の実施形態について説明した。本発明の範囲はあくまでも特許請求の範囲に記載された発明に基づいて定められるものであり、上記実施形態に限定されるべきものではない。

例えば、イグナイタ３は、上記のものに限らず、例えばコロナ放電プラグ（例えばボルグワーナー社のEcoFlash（米国登録商標））など他のタイプのものを用いても良い。但し、上記の実施形態で示した効果を奏するには、高い周波数での連続放電が可能なイグナイタが好ましい。

また、第１実施形態の態様もアフターマーケット商品として適用することができる。ディーゼルエンジン１０ではインジェクタ１のすぐ近傍にイグナイタ３を配置するが、この位置関係はインジェクタとグロープラグの関係に近い。従って、グロープラグを有する比較的旧式なディーゼルエンジンにおいて、グロープラグを一旦シリンダヘッドから取り外し、これをイグナイタ３に差し替えることで、燃費の向上やＮＯｘ低減等を図ることができる。つまり、アフターマーケット向け技術としても適している。

１インジェクタ
３イグナイタ
３ａ入力部分
３ｂ結合部分
３ｃ増幅／放電部分
３１ケース（接地電極）
３２マイクロ波入力端子
３３第１中心電極
３４第２中心電極
３５第３中心電極
３６放電電極
３７空隙
３９誘電体
６インジェクタユニット
６１インジェクタ
６４ケーシング
４１制御装置
４２マイクロ波生成器
１００ディーゼルエンジン
１１０ディーゼルエンジン
２００ディーゼルエンジン

Claims

液体燃料を噴射するインジェクタと、液体燃料の着火を補助するグロープラグを備えた圧縮着火式内燃機関の修理方法であって、
前記グロープラグを該圧縮着火式内燃機関のシリンダヘッドの挿入孔から取り外すステップ、
共振構造によりマイクロ波を昇圧する昇圧回路、前記昇圧回路からのマイクロ波の出力を受入れる第１電極、及び前記第１電極に近接して設けられる第２電極を有し、前記第１電極と前記第２電極との間の放電によりプラズマを生成するイグナイタを、前記挿入孔に挿入するステップ、を含むことを特徴とする、圧縮着火式内燃機関の修理方法。