JP6635342B2 - 圧縮着火式内燃機関、及び内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に関し、ＣＮＧ（Compressed Natural Gas、圧縮天然ガス）
等の気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、及びガソリンエンジン等の火花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、ディーゼルエンジンの場合、ＮＯｘの排ガスやススの発生、等の欠点を有していた。これに対し、ディーゼル排ガスを減らすことができる燃料として、ＣＮＧが注目されている。しかし、ＣＮＧは軽油と比較して着火温度が高い。従って、従来のディーゼルエンジンをＣＮＧ燃料により動作させることはできないため、例えば軽油をパイロット燃料として使用したり、点火プラグ等の着火手段を用いたりすることが提案されている（非特許文献１）。

特開２０１３−０５７２７９号公報 米国特許７９６３２６２号公報 「高効率大型ガスエンジンを開発」（三井造船技報No.191(2007-6), P.19-25）

しかし、例えば特許文献１等でも指摘されているように、ディーゼルエンジンでは火炎伝播速度がガソリンエンジンに比べて遅い。従って、例えば燃焼室の中心部分が点火プラグにより着火できたとしても、外縁部分の着火が十分に行えない場合がある。火花着火式の内燃機関においても、同様の問題が指摘されている。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものである。

本発明の気体燃料を燃料として用いる圧縮着火式の内燃機関であって、電磁波を生成する電磁波生成器と、電磁波生成器を制御する制御装置と、共振構造により電磁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電極を有するプラズマ生成器を備え、プラズマ生成器を、第１電極が前記内燃機関の燃焼室に露出するように複数配設したことを特徴とする。

本発明によれば、気体燃料を燃料として用いる圧縮着火式内燃機関において、燃焼室の中心部のみならず、外縁部の着火特性も向上させることができる。

ディーゼルエンジン１０の構成を示す図である。 ディーゼルエンジン１０のシリンダヘッドの底面図である。 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の等価回路である。 制御装置４１が行う制御を説明するタイムチャートである。 ディーゼルエンジン１００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。 制御装置４１が行う制御を説明するタイムチャートである。

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。ディーゼルエンジン１０のシリンダヘッド２１には、ＣＮＧ燃料を燃焼室２８に噴射するインジェクタ１が挿入される。

また、シリンダヘッド２１には、複数個のイグナイタ３（３Ａ〜３Ｄ）がシリンダヘッド２１の挿入孔に挿入される。図２のシリンダヘッド２１の底面図に示すように、吸気ポート２４間のＡ点にイグナイタ３Ａ、排気ポート２６間のＢ点にイグナイタ３Ｂ、吸気ポート２４と排気ポート２６間のＣ点、Ｄ点それぞれにイグナイタ３Ｃ、３Ｄと、合計で４つのイグナイタが配置される。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、多点着火を実現し、火炎伝播距離を短縮し、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。

図３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４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及びとケース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。

再び、図１を参照して、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。

ここで、次に図５を参照して、制御装置４１が行う制御例を説明する。制御装置４１は、ピストン２７のクランク角度が大よそ−９０度を超えた時点でＣＮＧ燃料の噴射が開始されるよう、インジェクタ１を制御する。インジェクタ１の噴射開始後、先ず、イグナイタ３Ａが放電を行うよう制御を行う。イグナイタ３Ａの近傍（Ａ点）を着火させる。次に、同様にして、イグナイタ３Ｂ、３Ｃ、３Ｄの順で放電させて、Ｂ点、Ｃ点、Ｄ点を順次着火させる。なお、４つのイグナイタを同時に放電させても良いが、この場合、マイクロ波生成器４２が４つ必要となり、システムが高価になる。しかし、着火に必要な放電を行うべき期間は長期間ではない。そこで、本実施形態では、１つのマイクロ波生成器４２を用い、放電させるイグナイタを順次切り替えて使用する。

なお、イグナイタを切り替える方法としては、スイッチングにより順次切り替える方法、イグナイタの共振周波数に個体差があることを逆に利用して、マイクロ波生成器４２の発振周波数をスイープしていく方法、イグナイタ３内で生じる反射波を他のイグナイタ３の信号源として使用する方法等が考えられる。

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。このように、イグナイタ３を使用することで上記のような多点着火を実現することができる。

（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。ディーゼルエンジン１００のシリンダヘッド２１には、ＣＮＧ燃料を燃焼室２８に噴射するインジェクタと、その燃料を点火するためのイグナイタを含むインジェクタユニット６が挿入される。

図７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、小型化したタイプのものが用いられる。小型化により、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６１はインジェクタを複数（２個）用いている。

再び図６に戻り、ディーゼルエンジン１０は、インジェクタユニット６内に収納されるイグナイタ３に加えて、更に複数個のイグナイタがシリンダヘッド２１の挿入孔に挿入される。図８のシリンダヘッド２１の底面図に示すように、中央部のインジェクタ３（インジェクタユニット６）に加え、吸気ポート２４間のＡ点にイグナイタ３Ａ、排気ポート２６間のＢ点にイグナイタ３Ｂ、吸気ポート２４と排気ポート２６間のＣ点、Ｄ点それぞれにイグナイタ３Ｃ、３Ｄと、合計で５つのイグナイタが配置される。

図９は、制御装置４１が行う制御例である。まず、イグナイタ３が放電を行うよう制御し、インジェクタ１が配備される部分でもある燃焼室２８の中心部が着火する。次に、イグナイタ３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄの順で放電させて、Ａ点、Ｂ点、Ｃ点、Ｄ点を順次着火させる。

本実施形態によっても多点着火を実現し、火炎伝播距離を短縮し、初期燃焼期間の短縮、主燃焼期間の短縮、安定化などが可能となる。

（第３実施形態）
上記実施形態では、制御装置４１の制御にしたがって、各イグナイタにより順次点火させていた。これに対し、イグナイタ３からの反射波を利用することにより、各イグナイタを順次点火させるようにしてもよい。イグナイタ３の放電電極３６で放電が行われると、この瞬間にイグナイタ３の内部インピーダンスの整合が崩れ、反射波が生じる。つまり、マイクロ波が先端部（増幅／放電部分３ｃ）から後端部（入力部分３ａ）に逆流する。この性質を利用して、反射波を順次各イグナイタ３に導き、反射波を有効に活用することができる。つまり、イグナイタ３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄを（電気的に）直列に接続ようにし、イグナイタ３Ｂは、イグナイタ３Ａからの反射マイクロ波を電源として使用し、イグナイタ３Ｃはイグナイタ３Ｂからの反射マイクロ波を電源として使用する、といった方法により実現できる。これにより、制御装置４によるタイミング制御が不要になる。また、単一電源を用いて各イグナイタ３を制御しようとすると、高速の切り替えが難しいが、この性質を利用すれば、高速で点火させるマイクロ波を切り替えることができる。なお、本実施形態に関しては、圧縮着火式の内燃機関に限らず、ガソリンエンジン等の火花点火式の内燃機関にも適用できるものである。

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、イグナイタ３はマイクロ波により動作するものとしているが、他の帯域を有する電磁波を使用するものでも良い。

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
１０ ディーゼルエンジン
４１ 制御装置
４２ マイクロ波生成器
１００ ディーゼルエンジン

Claims (3)

1. 気体燃料を燃料として用いる圧縮着火式の内燃機関であって、
   マイクロ波を生成するマイクロ波生成器と、
   マイクロ波生成器を制御する制御装置と、
   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電極を有するプラズマ生成器を備え、
   前記プラズマ生成器を、前記第１電極が前記内燃機関の燃焼室に露出するように複数配設し、
   前記燃焼室の１回の燃焼サイクルにおいて、前記内燃機関のインジェクタによる燃料の噴射開始後に圧縮上死点に至るまでの間に、１台の前記マイクロ波生成器から前記複数のプラズマ生成器にマイクロ波を順番に供給し、前記複数のプラズマ生成器で順番に放電をさせる、内燃機関。
2. 前記プラズマ生成器を、前記内燃機関の燃焼室天井面に形成される吸気ポート間、排気 ポート間、又は吸気ポートと排気ポートとの間に配設した請求項１に記載の内燃機関。
3. 電磁波を生成する電磁波生成器と、
   電磁波生成器より入力された電磁波を共振構造により昇圧する昇圧回路と、昇圧回路の 出力側に配設され放電電極を有する第１のプラズマ生成器と、
   前記第１のプラズマ生成器の放電電極近傍において反射した電磁波を入力し、この入力 された電磁波を共振構造により昇圧する昇圧回路と、昇圧回路の出力側に配設され放電電 極を有する第２のプラズマ生成器を備え、
   第１、第２プラズマ生成器を、用いることにより、複数の箇所において点火を行うこと を特徴とする内燃機関。

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