JP6685516B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に関し、特にマイクロ波を利用して燃料を点火するものに関する。

ガソリンエンジン等の内燃機関の点火手段としては、スパークプラグが従来から用いられている。これに対し、特許文献１では、スパークプラグに加え、マイクロ波等の電磁波を用いることにより、空燃比の改善を図る技術が提案されている。

また、特許文献２では、燃焼室内に均一に火炎を伝播させることを目的とし、燃焼室中央に配置された点火プラグに加え、シリンダ外周部に複数個の点火プラグを配置した、いわゆる多点点火技術が提案されている。

特許第４８７６２１７号公報 特開２０１０−１２７２５５号公報

しかし、多点点火手段として点火プラグを用いた場合、点火プラグの近辺でしか点火を行うことができないため、火炎伝播させる方向は点火プラグの数、位置に律則される。例えば、点火プラグと点火プラグの中間位置に火炎を導くことはできない。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものである。

本発明の内燃機関は、燃焼室と、燃焼室内の燃料を点火する点火プラグと、燃焼室に電磁波を照射する複数のアンテナと、電磁波を発振する発振部と、電磁波を増幅する増幅部と、増幅した電磁波を前記各アンテナに供給する複数の出力部を有する電磁波生成装置を備え、電磁波生成装置は、前記各出力部から出力される電磁波の位相差を可変可能に構成されたことを特徴とする。

本発明によれば、内燃機関で多点点火を行う場合において、火炎伝播の方向をより自由に制御することができる。

第１実施形態に係る内燃機関の一部断面の正面図。 上記内燃機関のアンテナの一部断面の正面図。 上記アンテナの電磁波放射部の正面図。 上記内燃機関の燃焼室のシリンダヘッドの底面図。 上記内燃機関の概略ブロック図。 上記内燃機関における電磁波の放射パターン例を示す図。 上記内燃機関における電磁波の放射パターン例を示す図。 上記内燃機関における電磁波の放射パターン例を示す図。 第２実施形態に係る内燃機関の一部断面の正面図。 上記内燃機関における電磁波の放射パターン例を示す図。 上記内燃機関における電磁波の放射パターン例を示す図。 上記内燃機関における電磁波の放射パターン例を示す図。 第３実施形態に係る内燃機関の一部断面の正面図。 上記内燃機関の点火プラグの一部断面の正面図。 第４実施形態に係る内燃機関の一部断面の正面図。 第５実施形態に係る内燃機関の燃焼室のシリンダヘッドの底面図。 上記内燃機関の概略ブロック図。

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実施形態）
図１は、本実施形態に係る内燃機関１０の一部断面の正面図である。内燃機関１０のシリンダヘッド２１には、スパークプラグ１、マイクロ波を放射するアンテナ３が複数個挿入される。また、図示していないが、吸気ポート２３には燃焼室２８へガソリン燃料を噴射するためのインジェクタが設けられている。

図２を参照して、アンテナ３は、大きくは、マイクロ波を燃焼室２８に放射するアンテナ部３５と、マイクロ波生成装置４からのマイクロ波をアンテナ部３５へ伝送する伝送路３０とに分かれる。

また、同図では示されていないが、伝送路３０からアンテナ部３５へマイクロ波を供給する給電部を有しており、伝送路３０は、給電部に対して着脱自在とすることもできる。なお、伝送路３０は、同軸の伝送路であり、マイクロ波を伝送する中心導体３１と、グラウンド（接地部）として機能すると共に、マイクロ波が外部に漏えいすることを防ぐための外側導体３２が設けられている。また、中心導体３１と外側導体３２はセラミック等の絶縁体が充填され、また、外側導体３２には例えば弾性体からなる絶縁体によりその外側が包まれている。

アンテナ部３５は、例えば図３に示すように、セラミック基板上に渦巻き状の金属パターン３５ａを印刷等することにより形成することができる。

なお、上記実施形態のアンテナ３は、単なる一例に過ぎず、燃焼室にマイクロ波を放射することができるものであれば、上記の実施形態に限られない。

図４を参照して、シリンダヘッド２１には、複数のアンテナ３ａ〜３ｄが挿入される。吸気ポート２４Ａの外周側にアンテナ３ａ、吸気ポート２４Ｂの外周側にアンテナ３ｄ、排気ポート２６Ａの外周側にアンテナ３ｂ、排気ポート２６Ｂの外周側にアンテナ３ｃが配置される。

内燃機関１０では、まずスパークプラグ１での火花放電により燃焼室２８内の混合気が点火する。続いて、燃焼室２８の外周部に配置されたアンテナ３から燃焼室２８に向けてマイクロ波を放射することにより、外周部への火炎伝播が促進される。火炎伝播が促進できる理由は、ＧＨｚ帯の高周波であるマイクロ波を燃焼室２８に放射し続けることにより、火炎拡大に寄与するＯＨラジカルの死滅を防ぐことができるからである。このようなマイクロ波照射により、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、ＮＯｘ排出の抑制も可能となる。

図５を参照して、本実施形態に係る内燃機関１０は、上述したスパークプラグ１、アンテナ３（３ａ〜３ｄ）に加えて、スパークプラグ１に高電圧パルスを供給するための電源回路７、アンテナ３に供給するマイクロ波を生成するマイクロ波生成装置４、及び電源回路７やマイクロ波生成装置４を制御する制御装置６を備える。

マイクロ波生成装置４は２．４５ＧＨｚの高周波を発振する発振回路と、発振回路からの出力を１ＫＷ程度の電力に増幅する増幅回路を有する。増幅回路は４つ設けられており、いわゆる４チャンネル出力の構成である。尚、１ｋＷのマイクロ波を出力する関係上、増幅回路の発熱量は大きい。そこで、増幅回路は、放熱部材、及び／又は水冷パイプ等により冷却される。また、２つの増幅回路は放熱部材や水冷パイプを挟んで背中合わせに配置する構成としてもよい。これにより、２つの増幅回路の冷却構造を共通化でき、スペースの節約が図れる。更には２つの増幅回路間の距離を適切に設定すれば、各増幅回路を流れるマイクロ波によるノイズをキャンセルすることもできる。また、マイクロ波生成装置４の各チャンネルからの出力信号間の位相差は任意に変更することが可能である。これにより、無線通信分野のＳＤＭＡ (Space Division Multiple Access) で用いられている、アダプティブアレーアンテナによる送信指向性制御技術と同様のことが実現できる。つまり、燃焼室内の任意の位置に強電界を発生させることが可能となり、任意の方向に火炎を導くことができる。以下、簡単な例を示す。

図６を参照して、今、４つのアンテナ３のうち、アンテナ３ｂ、３ｃからマイクロ波を放射させた場合、排気バルブ２６Ａ、２６Ｂの間の領域Ｈでは、両アンテナからの電界が重なり合うため、電界強度が高くなる。これにより、スパークプラグ１により点火した火炎が排気ポート側に伝播されやすくなる（特に、２つの排気ポート間の領域に伝播されやすくなる）。なお、この場合、マイクロ波生成装置４は、アンテナ３ｂ、３ｃに対し同相のマイクロ波を供給するように制御される。

一方、図７のように、マイクロ波生成装置４がアンテナ３ｂ、３ｃに対し逆相のマイクロ波を供給するように制御される場合、両アンテナからのマイクロ波が重なる部分では電界が打ち消される。従って、排気バルブ２６Ａ上の領域であるＨ１と、排気バルブ２６Ｂ上の領域であるＨ２では電界が大きくなる一方、排気バルブ２６Ａ、２６Ｂの間の領域では電界が弱くなる。従って、スパークプラグ１により点火した火炎は、各排気ポートの方向に伝播されやすくなる。

尚、図８に示すようにアンテナ３ｃのみからマイクロ波が放射される場合、排気バルブ２６側の広範囲にわたって電界が強くなる。つまり、送信電波の指向性という点では図６、７の例と比較して劣る。

このように、各アンテナから放射させる電波の強さや位相をコントロールすることにより、アンテナから放射させる電波の指向性を制御することができる。

また、上記では、図７はあたかも好ましくない例のように説明したが、逆に弱い指向性にした場合が好ましい場合もある。例えば、広範囲に火炎を拡散させた方が好ましい場合は、寧ろ指向性を弱くした方が好ましい。

また、指向性の強弱は、両アンテナに与える位相差をコントロールすることによっても可能である。例えば両アンテナに与える位相差を９０°とすれば弱い指向性とすることができる。つまり、図６の例で言うと、領域Ｈでの電界強度が他の領域に対して突出したものとはならない、と考えられる。

また、図６、図７では、燃焼室２８の外周近辺の電界を強める例を示したが、燃焼室の中間部（中心と外周の中間）の電界を強くし、逆に外周部の電界が弱くなるように両アンテナに供給するマイクロ波を制御すれば、火炎がシリンダ壁面２２側に流れることを極力防止することができ、シリンダ壁面２２での熱損失を低減できる。

なお、図６、７では、両アンテナに供給するマイクロ波を同相とするか逆相とするか、という単純な例を示したが、実際には位相差のコントロール、強度差のコントロール、アンテナ間で異なるパルスパターンのマイクロ波を与える等、様々な方法による送信指向性制御が可能である。また、３以上のアンテナにマイクロ波を供給してもよい。

（第２実施形態）
図９は、本実施形態に係る内燃機関２０の一部断面の正面図である。第１実施形態と同様、内燃機関２０のシリンダヘッド２１には、スパークプラグ１、アンテナ３が複数個挿入される一方、２個のアンテナ３がスパークプラグ１を挟むように近接して配置される点で第１実施形態とは相違する。以下、本実施形態におけるマイクロ波の指向性制御例を示す。

図１０を参照して、両アンテナ３ａ、３ｂから同相のマイクロ波を放射させた場合、中心部の領域Ｒ１の電界が、外周部の領域Ｒ２、Ｒ３と比較して特に強くなる。

尚、図１１を参照して、アンテナ３ｂのみからマイクロ波が放射される場合、燃焼室２８の排気バルブ２６側の広範囲にわたって電界が強くなる。

一方、図１２のように、両アンテナ３ａ、３ｂから逆相のマイクロ波を放射させた場合、中心部の領域Ｒ１においては、両アンテナからのマイクロ波電界が打ち消されるため、電界は弱くなる。一方、外周部Ｒ２、Ｒ３の領域では、他方のアンテナからの電界による影響が小さくなるため、電界が比較的強くなる。

このように、アンテナ３を燃焼室２８の中心部に配置しても、燃焼室内の電界強度の指向性を制御することができる。

（第３実施形態）
図１３は、本実施形態に係る内燃機関３０の一部断面の正面図である。第１、第２実施形態と同様、内燃機関２０のシリンダヘッド２１には、アンテナ３が複数個挿入される一方、スパークプラグ１に代えてマイクロ波共振プラグ５を用いる点で第１、第２実施形態とは相違する。先ず、図１４を参照してマイクロ波共振プラグ５の構成を説明する。

マイクロ波共振プラグ５は、弊社が開発したMicrowave Discharge Igniter （ＭＤＩ：登録商標）とも呼ばれるプラグである。外部（マイクロ波生成装置４）から入力された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）が高電圧となることで放電が起きる構成となっている。この点で、通常のスパークプラグとは大きく相違する。

図１４を参照して、マイクロ波共振プラグ５の構成の詳細を説明する。マイクロ波共振プラグ５は、マイクロ波が入力される入力部分５ａ、通常５０Ω系で設計されたマイクロ波生成装置４やマイクロ波を伝送する同軸ケーブルと、マイクロ波共振プラグ５の共振構造部分とのインピーダンス整合を行うための部分である結合部分５ｂ、及びマイクロ波共振構造で形成されマイクロ波の電圧の増幅を行う増幅部分５ｃからなる。また、増幅部分５ｃの先端部には放電電極５６を有する。マイクロ波共振プラグ５は導電性の金属からなる筒状のケース５１により内部の各部材が収容される。

入力部分５ａには、マイクロ波生成装置４で生成されたマイクロ波を入力する入力端子５２と、第１中心電極５３が設けられる。第１中心電極５３はマイクロ波を伝送する。第１中心電極５３とケース５１の間には誘電体５９ａが設けられる。誘電体５９ａは、例えばセラミック材料で形成される。

結合部分５ｂには、第１中心電極５３と、第２中心電極５４が設けられる。この結合部分５ｂは、上述の通り、インピーダンス整合を行うために設けられている。第２中心電極５４は、増幅部分５ｃ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５３を囲む。棒状の第１中心電極５３と筒状の第２中心電極５４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５３からのマイクロ波が容量結合により第２中心電極５４へ伝送される。第２中心電極５４の筒状部分には、セラミック等の誘電体５９ｂが充填され、第２中心電極５４とケース５１の間にもセラミック等の誘電体５９ｃが設けられる。

増幅部分５ｃには、第３中心電極５５が設けられる。第３中心電極５５は、第２中心電極５４と接続しており、第２中心電極５４のマイクロ波が伝送される。放電電極５６は、第３中心電極５５の先端部に取付けられる。第３中心電極５５とケース５１の間にはセラミック等の誘電体５９ｄが充填される。但し、後述のように、放電容量Ｃ３を調整する目的で、第３中心電極５５とケース５１の間には誘電体５９ｄが充填されない空洞部２７が設けられる。第３中心電極５５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５５を通過するに従い高くなる。その結果、放電電極５６とケース５１の間に数十ＫＶの高電圧が発生し、放電電極５６とケース５１の間で放電が起きる。また、第３中心電極５５の長さはおおよそマイクロ波の４分の１波長の長さである。但し、ここで４分の１波長とは、中心電極の屈折率等も加味した上での長さであり、単純にマイクロ波の波長の４分の１の長さという意味ではない。このような長さとした上で、一例として、第３中心電極５５と第２中心電極５４の境界部分にマイクロ波の節が来るように調整／設計すれば、放電電極５６が存する第３中心電極５５の先端部ではマイクロ波の腹が位置するので、この箇所で電圧を大きくなるようにすることができる。

そして、放電電極５６と、ケース５７の間には環状の空間が形成されており、この空間で放電が生じる。つまり、放電が全方位で行われる。この点、放電電極と接地電極間でいわゆる一点放電を行うスパークプラグとは相違している。

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る。これにより、通常のスパークプラグと同様、燃料を点火させる点火プラグとして機能する。

なお、本実施形態の内燃機関３０によるマイクロ波の指向性制御については、第１実施形態において説明したものと同様である。
（第４の実施形態）
図１５は、本実施形態に係る内燃機関４０の一部断面の正面図である。本実施形態では、第３実施形態と比較して、アンテナ３がマイクロ波共振プラグ５の周辺に配置される点で相違する。また、第２実施形態と比較して、スパークプラグ１に代えてマイクロ波共振プラグ５を配置した点で相違する。なお、本実施形態の内燃機関４０によるマイクロ波の指向性制御については、第２実施形態において説明したものと同様である。

（第５の実施形態）
図１６の例では、火炎面を計測するためのイオンセンサ８ａ〜８ｄがシリンダヘッド２１に設けられている。このイオンセンサ８は、燃焼室内に電極を露出させた構成となっており、火炎に含まれるマイナスイオンを電極が捕集することにより火炎到達の有無を検出するものである。

本実施形態によれば、イオンセンサ８による検出結果に基づき、制御装置６が火炎の伝播方向を推定し、これに基づきアンテナ３の指向性制御を行うことができる（図１７参照）。例えば、イオンセンサ８ｃで検出した電流が小さい場合は、その近傍には火炎が伝播していないか、火炎が弱いものと推定し、この領域の電界強度を高めるべく、アンテナ３ｂ及び３ｃから同相のマイクロ波を放射させ、イオンセンサ８ｃ近傍、つまり排気バルブ２６Ａ、Ｂ間への火炎伝播を促進させることができる。

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。

例えば電磁波の一例としてマイクロ波を例に説明したが、他の波長域の電磁波であってもよい。また内燃機関が扱う燃料としてガソリンを例に説明したが、天然ガス等、他の種類の燃料であってもよい。また、いわゆるポート噴射型のエンジンを例に説明したが、直噴型のエンジンであってもよい。

１ スパークプラグ
３ アンテナ
４ 電磁波生成装置
５ マイクロ波共振プラグ
６ 制御装置
７ 電源回路
８ イオンセンサ
１０ 内燃機関
２１ シリンダヘッド
２２ シリンダブロック
２３ 吸気ポート
２４ 吸気バルブ
２５ 排気ポート
２６ 排気ポート
２７ ピストン
２８ 燃焼室

Claims (4)

1. 燃焼室と、
   前記燃焼室内の燃料を点火する点火プラグと、
   前記燃焼室に電磁波を照射する複数のアンテナと、
   電磁波を発振する発振部と、電磁波を増幅する増幅部と、増幅した電磁波を前記各アンテナに供給する複数の出力部を有する電磁波生成装置と、
   前記電磁波生成装置を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記電磁波生成装置に対し、前記複数の出力部のうち１つの出力部から出力される電磁波と、前記複数の出力部のうち別の１つの出力部から出力される電磁波との間で、電磁波の位相を互いに異ならせ、該互いに異ならせた電磁波の位相の差を利用して所定領域の電界強度を高める制御を実行することを特徴とする、を備える内燃機関。
2. 前記複数のアンテナは、燃焼室の外周部に同心円状に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記複数のアンテナは、点火プラグに隣接して設けられることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
4. 燃焼室内の燃焼状態を検出するための複数のセンサ部材を備え、
   電磁波生成装置は、センサ部材による検出結果に基づいて、各出力部の位相差を変化させることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。